链式存储线性表(LinkedList)数据结构解析

LinkedList内部是通过链表来实现的

一、节点分析

LinkedList内部是通过链表来实现的,那么就少不了节点,所以在源码中必然能找到这样一个节点。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

节点中定义了三个成员变量:E item(节点的存储内容)、Node next(记录下一个节点的指针)、Node prev(记录后一个节点的指针),其构造方法我觉得很巧妙,该构造函数的三个参数中就包含了它的前一个节点,节点保存的内容,和它的后一个节点,只要通过这个构造函数new出的新节点就自动实现了节点间的链接,在后面的增删改查操作中我们会发现,通过这个构造方法我们可以省去很多Node next和Node prev指针指来指去的操作。

二、LinkedList的核心操作方法

在LinkedList中有可以看到这样两个成员变量Node first和Node last

/**
     * Pointer to first node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (first.prev == null && first.item != null)
     */
    transient Node<E> first;


/**
     * Pointer to last node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (last.next == null && last.item != null)
     */
    transient Node<E> last;

这个两个成员变量很关键,主要用来记录链表的头和尾,这样方便我们在CRUD操作的过程中来查找到相应位置的节点。通过分析源码可以知道LinkedList其实是用的是双向链表来实现的。

在分析一个数据结构的时候,从相关add方法分析走能很好的理清数据结构的脉络。

  • linkFirst方法的分析 可以看到在addFirst的方法中其实是调用的linkFirst方法。 /** * Inserts the specified element at the beginning of this list. * * @param e the element to add */ public void addFirst(E e) { linkFirst(e); } 接下来看看linkFirst方法是如何实现节点间操作的:
/**
   * Links e as first element.
   */
  private void linkFirst(E e) {
      final Node<E> f = first;
      final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
      first = newNode;
      if (f == null)
          last = newNode;
      else
          f.prev = newNode;
      size++;
      modCount++;
  }

linkFirst顾名思义,就是将节点链接到第一个。该方法首先是拿到链表的first(第一个)节点,然后通过那个巧妙的节点构造函数构造出一个新节点,然后将记录链表头的first指向这个新的节点,如果之前那个记录链表头的first节点等于null,说明当前链表中还没有一个节点(空链表),所以就将记录链表尾的last节点也指向这个新节点;如果之前那个记录链表头的first节点不为null,那么就将之前的第一个节点的prev指针指向新节点,在节点的构造函数中就完成了新节点的next指针指向之前的第一个节点,所以这样就形成了节点间的双向记录。

  • linkLast方法的分析 可以看到在addLast的方法中其实是调用的linkLast方法。
/**
   * Appends the specified element to the end of this list.
   *
   * <p>This method is equivalent to {
@link
 #add}.
   *
   *
@param
 e the element to add
   */
  public void addLast(E e) {
      linkLast(e);
  }

再来看看linkLast方法是如何实现的:

/**
   * Links e as last element.
   */
  void linkLast(E e) {
      final Node<E> l = last;
      final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
      last = newNode;
      if (l == null)
          first = newNode;
      else
          l.next = newNode;
      size++;
      modCount++;
  }

这个方法是不是和linkFirst方法很像,它首先是拿到记录链表的last节点,然后又通过那个巧妙的构造方法构造一个新的节点,最后同样是判断之前记录链表的last节点为不为null,如果为null说明链表依然是空的,所以就将记录链表头的first指向该新节点,如果不为null说明链表之前已经有节点了,此时只需要将之前的那个尾节点的next指针指向当前新节点即可,同样是构造方法帮助我们完成了新节点的prev指针指向前一个节点。所以我觉得那个节点的构造函数很巧妙。

  • linkBefore方法的分析 这个方法是比较重要也比较难理解的方法,先来看看这个函数的代码: /** * Inserts element e before non-null Node succ. */ void linkBefore(E e, Node<E> succ) { // assert succ != null; final Node<E> pred = succ.prev; final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; size++; modCount++; }

虽然代码和简洁,但却比较难理解,这个方法的两个参数分别表示:插入新节点的元素、需要在哪个节点前插入的节点。结合下面的这张图来分析:

比如我现在想在Node3前面插入一个节点,那么当前的succ = Node3,所以这句代码final Node pred = succ.prev;执行后pred = Node2,再通过那个巧妙的节点构造函数就将新节点链接上去了,如图:

这时候再通这句代码succ.prev = newNode;就Node3的prev指针指向了插入的新节点。后面的判读pred为不为null是为了知道是不是再第一个节点前插入新节点,如果是在第一个节点前插入新节点,那么就将记录链表头的first指针指向新节点,否则就pred的next指针指向插入的新节点,这样就完成了 新节点的插入操作。如图:

  • unlinkFirst方法的分析
/**
   * Unlinks non-null first node f.
   */
  private E unlinkFirst(Node<E> f) {
      // assert f == first && f != null;
      final E element = f.item;
      final Node<E> next = f.next;
      f.item = null;
      f.next = null; // help GC
      first = next;
      if (next == null)
          last = null;
      else
          next.prev = null;
      size--;
      modCount++;
      return element;
  }

该方法是移除第一个节点,首先是通过传入的first指针拿到第一个节点的内容,然后拿到它的下一个节点,再将第一个节点的内容和指向下个节点的next指针置空,方便GC回收。下一步便是将记录头节点的first指向final Node next = f.next;拿到的这个节点,如果这个的节点为空,那么last = null(说明链表在移除第一个节点前只有一个节点),否则就将拿到的这个节点中的prev指针置空,表示这个节点就是第一个节点。

  • unlinkLast方法的分析
/**
   * Unlinks non-null last node l.
   */
  private E unlinkLast(Node<E> l) {
      // assert l == last && l != null;
      final E element = l.item;
      final Node<E> prev = l.prev;
      l.item = null;
      l.prev = null; // help GC
      last = prev;
      if (prev == null)
          first = null;
      else
          prev.next = null;
      size--;
      modCount++;
      return element;
  }

这个方法和unlinkFirst的实现基本差不多,此方法的作用是移除链表中的最后一个节点。只要清楚了unlinkFirst这个方法,那么unlinkLast也就清楚了。

  • unlink方法的分析
/**
   * Unlinks non-null node x.
   */
  E unlink(Node<E> x) {
      // assert x != null;
      final E element = x.item;
      final Node<E> next = x.next;
      final Node<E> prev = x.prev;

      if (prev == null) {
          first = next;
      } else {
          prev.next = next;
          x.prev = null;
      }

      if (next == null) {
          last = prev;
      } else {
          next.prev = prev;
          x.next = null;
      }

      x.item = null;
      size--;
      modCount++;
      return element;
     }

此方法是移除链表中指定的节点,在移除这个节点前肯定需要拿到这个节点prev指针和next指针所记录的节点,并需要判断prev指针和next是否为空,prev指针为空表示这个节点就是第一个节点,next指针为空表示这个节点就是最后一个节点。关键代码便是通过判断将拿到的prev节点的next指针指向拿到的next节点,以及将拿到的next节点的prev指针指向拿到的prev节点。

三、LinkedList中的经典算法

在LinkedList中有一个根据索引查找相应节点的方法,此方法的源码如下:

/**

 * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
 */
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

在这个方法中可以看到用到了折半查找的算法,当传入一个索引后会判断index < (size >> 1),如果index小于size的一半,则从前往后找节点;否则就从后往前找节点。

通过对LinkedList的分析后,对数据结构中的链表有了新的认识,在LinkedList中用的链表是双向链表,其实通过双向循环链表也可以来实现,如果是通过双向循环链表可以不需要last这个记录链表尾的变量了,只需要一个first变量记录链表的头,也可以实现从前往后和从后往前的查找等操作。

转载地址:https://my.oschina.net/devbird/blog/807571 感谢原作者?

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