Java集合詳解2:LinkedList和Queue


Java集合詳解2:LinkedList和Queue

今天我們來探索一下LinkedList和Queue,以及Stack的源碼。

具體代碼在我的GitHub中可以找到

https://github.com/h2pl/MyTech

喜歡的話麻煩star一下哈

文章首發於我的個人博客:

https://h2pl.github.io/2018/05/09/collection2

更多關於Java后端學習的內容請到我的CSDN博客上查看:https://blog.csdn.net/a724888

我的個人博客主要發原創文章,也歡迎瀏覽 https://h2pl.github.io/

本文參考 http://cmsblogs.com/?p=155 https://www.jianshu.com/p/0e84b8d3606c

 

 

LinkedList概述

LinkedList與ArrayList一樣實現List接口,只是ArrayList是List接口的大小可變數組的實現,LinkedList是List接口鏈表的實現。基於鏈表實現的方式使得LinkedList在插入和刪除時更優於ArrayList,而隨機訪問則比ArrayList遜色些。

LinkedList實現所有可選的列表操作,並允許所有的元素包括null。

除了實現 List 接口外,LinkedList 類還為在列表的開頭及結尾 get、remove 和 insert 元素提供了統一的命名方法。這些操作允許將鏈接列表用作堆棧、隊列或雙端隊列。

此類實現 Deque 接口(雙端隊列,支持在兩端插入和刪除),為 add、poll 提供先進先出隊列操作,以及其他堆棧和雙端隊列操作。

所有操作都是按照雙重鏈接列表的需要執行的。在列表中編索引的操作將從開頭或結尾遍歷列表(從靠近指定索引的一端)。

同時,與ArrayList一樣此實現不是同步的。

(以上摘自JDK 6.0 API)。

源碼分析

定義

首先我們先看LinkedList的定義:

public class LinkedList<E>
  extends AbstractSequentialList<E>
  implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
    從這段代碼中我們可以清晰地看出LinkedList繼承AbstractSequentialList,實現List、Deque、Cloneable、Serializable。其中AbstractSequentialList提供了 List 接口的骨干實現,從而最大限度地減少了實現受“連續訪問”數據存儲(如鏈接列表)支持的此接口所需的工作,從而以減少實現List接口的復雜度。Deque一個線性 collection,支持在兩端插入和移除元素,定義了雙端隊列的操作。

屬性

在LinkedList中提供了兩個基本屬性size、header。

private transient Entry header = new Entry(null, null, null); private transient int size = 0; 其中size表示的LinkedList的大小,header表示鏈表的表頭,Entry為節點對象。

private static class Entry<E> {
   E element;        //元素節點
   Entry<E> next;    //下一個元素
   Entry<E> previous;  //上一個元素

   Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
       this.element = element;
       this.next = next;
       this.previous = previous;
  }
}
 上面為Entry對象的源代碼,Entry為LinkedList的內部類,它定義了存儲的元素。該元素的前一個元素、后一個元素,這是典型的雙向鏈表定義方式。

構造方法

LinkedList提供了兩個構造方法:LinkedList()和LinkedList(Collection<? extends E> c)。

/**
    * 構造一個空列表。
    */
   public LinkedList() {
       header.next = header.previous = header;
  }

   /**
    * 構造一個包含指定 collection 中的元素的列表,這些元素按其 collection 的迭代器返回的順序排列。
    */
   public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
       this();
       addAll(c);
  }

LinkedList()構造一個空列表。里面沒有任何元素,僅僅只是將header節點的前一個元素、后一個元素都指向自身。

LinkedList(Collection<? extends E> c): 構造一個包含指定 collection 中的元素的列表,這些元素按其 collection 的迭代器返回的順序排列。該構造函數首先會調用LinkedList(),構造一個空列表,然后調用了addAll()方法將Collection中的所有元素添加到列表中。以下是addAll()的源代碼:

/**
    * 添加指定 collection 中的所有元素到此列表的結尾,順序是指定 collection 的迭代器返回這些元素的順序。
    */
   public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
       return addAll(size, c);
  }

/**
* 將指定 collection 中的所有元素從指定位置開始插入此列表。其中index表示在其中插入指定collection中第一個元素的索引
*/
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
   //若插入的位置小於0或者大於鏈表長度,則拋出IndexOutOfBoundsException異常
   if (index < 0 || index > size)
       throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);
   Object[] a = c.toArray();
   int numNew = a.length;    //插入元素的個數
   //若插入的元素為空,則返回false
   if (numNew == 0)
       return false;
   //modCount:在AbstractList中定義的,表示從結構上修改列表的次數
   modCount++;
   //獲取插入位置的節點,若插入的位置在size處,則是頭節點,否則獲取index位置處的節點
   Entry<E> successor = (index == size ? header : entry(index));
   //插入位置的前一個節點,在插入過程中需要修改該節點的next引用:指向插入的節點元素
   Entry<E> predecessor = successor.previous;
   //執行插入動作
   for (int i = 0; i < numNew; i++) {
       //構造一個節點e,這里已經執行了插入節點動作同時修改了相鄰節點的指向引用
       //
       Entry<E> e = new Entry<E>((E) a[i], successor, predecessor);
       //將插入位置前一個節點的下一個元素引用指向當前元素
       predecessor.next = e;
       //修改插入位置的前一個節點,這樣做的目的是將插入位置右移一位,保證后續的元素是插在該元素的后面,確保這些元素的順序
       predecessor = e;
  }
   successor.previous = predecessor;
   //修改容量大小
   size += numNew;
   return true;
}
 在addAll()方法中,涉及到了兩個方法,一個是entry(int index),該方法為LinkedList的私有方法,主要是用來查找index位置的節點元素。

/**
    * 返回指定位置(若存在)的節點元素
    */
   private Entry<E> entry(int index) {
       if (index < 0 || index >= size)
           throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: "
                   + size);
       //頭部節點
       Entry<E> e = header;
       //判斷遍歷的方向
       if (index < (size >> 1)) {
           for (int i = 0; i <= index; i++)
               e = e.next;
      } else {
           for (int i = size; i > index; i--)
               e = e.previous;
      }
       return e;
  }

從該方法有兩個遍歷方向中我們也可以看出LinkedList是雙向鏈表,這也是在構造方法中為什么需要將header的前、后節點均指向自己。

如果對數據結構有點了解,對上面所涉及的內容應該問題,我們只需要清楚一點:LinkedList是雙向鏈表,其余都迎刃而解。

由於篇幅有限,下面將就LinkedList中幾個常用的方法進行源碼分析。

增加方法

  add(E e): 將指定元素添加到此列表的結尾。

public boolean add(E e) {
  addBefore(e, header);
      return true;
  }
    該方法調用addBefore方法,然后直接返回true,對於addBefore()而已,它為LinkedList的私有方法。

private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
      //利用Entry構造函數構建一個新節點 newEntry,
      Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
      //修改newEntry的前后節點的引用,確保其鏈表的引用關系是正確的
      newEntry.previous.next = newEntry;
      newEntry.next.previous = newEntry;
      //容量+1
      size++;
      //修改次數+1
      modCount++;
      return newEntry;
  }

在addBefore方法中無非就是做了這件事:構建一個新節點newEntry,然后修改其前后的引用。

LinkedList還提供了其他的增加方法:

add(int index, E element):在此列表中指定的位置插入指定的元素。

addAll(Collection<? extends E> c):添加指定 collection 中的所有元素到此列表的結尾,順序是指定 collection 的迭代器返回這些元素的順序。

addAll(int index, Collection<? extends E> c):將指定 collection 中的所有元素從指定位置開始插入此列表。

AddFirst(E e): 將指定元素插入此列表的開頭。

addLast(E e): 將指定元素添加到此列表的結尾。

移除方法

  remove(Object o):從此列表中移除首次出現的指定元素(如果存在)。該方法的源代碼如下:

public boolean remove(Object o) {
      if (o==null) {
          for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next) {
              if (e.element==null) {
                  remove(e);
                  return true;
              }
          }
      } else {
          for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next) {
              if (o.equals(e.element)) {
                  remove(e);
                  return true;
              }
          }
      }
      return false;
  }

該方法首先會判斷移除的元素是否為null,然后迭代這個鏈表找到該元素節點,最后調用remove(Entry e),remove(Entry e)為私有方法,是LinkedList中所有移除方法的基礎方法,如下:

private E remove(Entry<E> e) {
      if (e == header)
          throw new NoSuchElementException();

      //保留被移除的元素:要返回
      E result = e.element;

      //將該節點的前一節點的next指向該節點后節點
      e.previous.next = e.next;
      //將該節點的后一節點的previous指向該節點的前節點
      //這兩步就可以將該節點從鏈表從除去:在該鏈表中是無法遍歷到該節點的
      e.next.previous = e.previous;
      //將該節點歸空
      e.next = e.previous = null;
      e.element = null;
      size--;
      modCount++;
      return result;
  }

其他的移除方法:

clear(): 從此列表中移除所有元素。

remove():獲取並移除此列表的頭(第一個元素)。

remove(int index):移除此列表中指定位置處的元素。

remove(Objec o):從此列表中移除首次出現的指定元素(如果存在)。

removeFirst():移除並返回此列表的第一個元素。

removeFirstOccurrence(Object o):從此列表中移除第一次出現的指定元素(從頭部到尾部遍歷列表時)。

removeLast():移除並返回此列表的最后一個元素。

removeLastOccurrence(Object o):從此列表中移除最后一次出現的指定元素(從頭部到尾部遍歷列表時)。

查找方法

對於查找方法的源碼就沒有什么好介紹了,無非就是迭代,比對,然后就是返回當前值。

get(int index):返回此列表中指定位置處的元素。

getFirst():返回此列表的第一個元素。

getLast():返回此列表的最后一個元素。

indexOf(Object o):返回此列表中首次出現的指定元素的索引,如果此列表中不包含該元素,則返回 -1。

lastIndexOf(Object o):返回此列表中最后出現的指定元素的索引,如果此列表中不包含該元素,則返回 -1。

Queue

Queue接口定義了隊列數據結構,元素是有序的(按插入順序),先進先出。Queue接口相關的部分UML類圖如下:

DeQueue

DeQueue(Double-ended queue)為接口,繼承了Queue接口,創建雙向隊列,靈活性更強,可以前向或后向迭代,在隊頭隊尾均可新插入或刪除元素。它的兩個主要實現類是ArrayDeque和LinkedList。

ArrayDeque (底層使用循環數組實現雙向隊列)

創建

public ArrayDeque() {
   // 默認容量為16
   elements = new Object[16];
}

public ArrayDeque(int numElements) {
   // 指定容量的構造函數
   allocateElements(numElements);
}
private void allocateElements(int numElements) {
        int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;// 最小容量為8
        // Find the best power of two to hold elements.
        // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
        // 如果要分配的容量大於等於8,擴大成2的冪(是為了維護頭、尾下標值);否則使用最小容量8
        if (numElements >= initialCapacity) {
            initialCapacity = numElements;
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
            initialCapacity++;
            if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
                initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
        }
        elements = new Object[initialCapacity];
    }

add操作

add(E e) 調用 addLast(E e) 方法:
public void addLast(E e) {
   if (e == null)
      throw new NullPointerException("e == null");
   elements[tail] = e; // 根據尾索引,添加到尾端
   // 尾索引+1,並與數組(length - 1)進行取‘&’運算,因為length是2的冪,所以(length-1)轉換為2進制全是1,
   // 所以如果尾索引值 tail 小於等於(length - 1),那么‘&’運算后仍為 tail 本身;如果剛好比(length - 1)大1時,
   // ‘&’運算后 tail 便為0(即回到了數組初始位置)。正是通過與(length - 1)進行取‘&’運算來實現數組的雙向循環。
   // 如果尾索引和頭索引重合了,說明數組滿了,進行擴容。
   if ((tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
      doubleCapacity();// 擴容為原來的2倍
}


addFirst(E e) 的實現:
public void addFirst(E e) {
   if (e == null)
      throw new NullPointerException("e == null");
   // 此處如果head為0,則-1(1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111)與(length - 1)進行取‘&’運算,結果必然是(length - 1),即回到了數組的尾部。
   elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
   // 如果尾索引和頭索引重合了,說明數組滿了,進行擴容
   if (head == tail)
      doubleCapacity();
}

remove操作

remove()方法最終都會調對應的poll()方法:
    public E poll() {
        return pollFirst();
    }
    public E pollFirst() {
        int h = head;
        @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) elements[h];
        // Element is null if deque empty
        if (result == null)
            return null;
        elements[h] = null;     // Must null out slot
        // 頭索引 + 1
        head = (h + 1) & (elements.length - 1);
        return result;
    }
    public E pollLast() {
        // 尾索引 - 1
        int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
        @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) elements[t];
        if (result == null)
            return null;
        elements[t] = null;
        tail = t;
        return result;
    }

PriorityQueue(底層用數組實現堆的結構)

優先隊列跟普通的隊列不一樣,普通隊列是一種遵循FIFO規則的隊列,拿數據的時候按照加入隊列的順序拿取。 而優先隊列每次拿數據的時候都會拿出優先級最高的數據。

優先隊列內部維護着一個堆(小根堆),每次取數據的時候都從堆頂拿數據(堆頂的優先級最高),這就是優先隊列的原理。

add,添加方法

public boolean add(E e) {
    return offer(e); // add方法內部調用offer方法
}
public boolean offer(E e) {
    if (e == null) // 元素為空的話,拋出NullPointerException異常
        throw new NullPointerException();
    modCount++;
    int i = size;
    if (i >= queue.length) // 如果當前用堆表示的數組已經滿了,調用grow方法擴容
        grow(i + 1); // 擴容
    size = i + 1; // 元素個數+1
    if (i == 0) // 堆還沒有元素的情況
        queue[0] = e; // 直接給堆頂賦值元素
    else // 堆中已有元素的情況
        siftUp(i, e); // 重新調整堆,從下往上調整,因為新增元素是加到最后一個葉子節點
    return true;
}
private void siftUp(int k, E x) {
    if (comparator != null)  // 比較器存在的情況下
        siftUpUsingComparator(k, x); // 使用比較器調整
    else // 比較器不存在的情況下
        siftUpComparable(k, x); // 使用元素自身的比較器調整
}
private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
    while (k > 0) { // 一直循環直到父節點還存在
        int parent = (k - 1) >>> 1; // 找到父節點索引,等同於(k - 1)/ 2
        Object e = queue[parent]; // 獲得父節點元素
        // 新元素與父元素進行比較,如果滿足比較器結果,直接跳出,否則進行調整
        if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0) 
            break;
        queue[k] = e; // 進行調整,新位置的元素變成了父元素
        k = parent; // 新位置索引變成父元素索引,進行遞歸操作
    }
    queue[k] = x; // 新添加的元素添加到堆中
}

poll,出隊方法

public E poll() {
    if (size == 0)
        return null;
    int s = --size; // 元素個數-1
    modCount++;
    E result = (E) queue[0]; // 得到堆頂元素
    E x = (E) queue[s]; // 最后一個葉子節點
    queue[s] = null; // 最后1個葉子節點置空
    if (s != 0)
        siftDown(0, x); // 從上往下調整,因為刪除元素是刪除堆頂的元素
    return result;
}
private void siftDown(int k, E x) {
    if (comparator != null) // 比較器存在的情況下
        siftDownUsingComparator(k, x); // 使用比較器調整
    else // 比較器不存在的情況下
        siftDownComparable(k, x); // 使用元素自身的比較器調整
}
private void siftDownUsingComparator(int k, E x) {
    int half = size >>> 1; // 只需循環節點個數的一般即可
    while (k < half) {
        int child = (k << 1) + 1; // 得到父節點的左子節點索引,即(k * 2)+ 1
        Object c = queue[child]; // 得到左子元素
        int right = child + 1; // 得到父節點的右子節點索引
        if (right < size &&
            comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0) // 左子節點跟右子節點比較,取更大的值
            c = queue[child = right];
        if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)  // 然后這個更大的值跟最后一個葉子節點比較
            break;
        queue[k] = c; // 新位置使用更大的值
        k = child; // 新位置索引變成子元素索引,進行遞歸操作
    }
    queue[k] = x; // 最后一個葉子節點添加到合適的位置
}

remove,刪除隊列元素

public boolean remove(Object o) {
    int i = indexOf(o); // 找到數據對應的索引
    if (i == -1) // 不存在的話返回false
        return false;
    else { // 存在的話調用removeAt方法,返回true
        removeAt(i);
        return true;
    }
}
private E removeAt(int i) {
    modCount++;
    int s = --size; // 元素個數-1
    if (s == i) // 如果是刪除最后一個葉子節點
        queue[i] = null; // 直接置空,刪除即可,堆還是保持特質,不需要調整
    else { // 如果是刪除的不是最后一個葉子節點
        E moved = (E) queue[s]; // 獲得最后1個葉子節點元素
        queue[s] = null; // 最后1個葉子節點置空
        siftDown(i, moved); // 從上往下調整
        if (queue[i] == moved) { // 如果從上往下調整完畢之后發現元素位置沒變,從下往上調整
            siftUp(i, moved); // 從下往上調整
            if (queue[i] != moved)
                return moved;
        }
    }
    return null;
}

先執行 siftDown() 下濾過程:

再執行 siftUp() 上濾過程:

總結和同步的問題

1、jdk內置的優先隊列PriorityQueue內部使用一個堆維護數據,每當有數據add進來或者poll出去的時候會對堆做從下往上的調整和從上往下的調整。

2、PriorityQueue不是一個線程安全的類,如果要在多線程環境下使用,可以使用 PriorityBlockingQueue 這個優先阻塞隊列。其中add、poll、remove方法都使用 ReentrantLock 鎖來保持同步,take() 方法中如果元素為空,則會一直保持阻塞。


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