Java集合（2）：LinkedList

一.LinkedList介绍

　　LinkedList也和ArrayList一样实现了List接口，但是它执行插入和删除操作时比ArrayList更加高效，因为它是基于链表的。基于链表也决定了它在随机访问方面要比ArrayList逊色一点。

　　除此之外，LinkedList还提供了一些可以使其作为栈、队列、双端队列的方法。这些方法中有些彼此之间只是名称的区别，以使得这些名字在特定的上下文中显得更加的合适。

1.LinkedList的继承关系

public class LinkedList<E>
     extends AbstractSequentialList<E>
     implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

LinkedList的类图关系如下：

　　

• LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
• LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
• LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
• LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
• LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。
• LinkedList 是非同步的。

2.LinkedList数据结构原理

LinkedList底层的数据结构是基于双向循环链表的，且头结点中不存放数据

二.LinkedList源码解析

1.私有属性

LinkedList中之定义了两个属性：

private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);
private transient int size = 0;

　　header是双向链表的头节点，不包含数据，它是双向链表节点所对应的类Entry的实例。Entry中包含成员变量： previous, next, element。其中，previous是该节点的上一个节点，next是该节点的下一个节点，element是该节点所包含的值。
　　size是双向链表中节点实例的个数。

2.节点类即Entry类

private static class Entry<E> {
    E element;
    Entry<E> next;
    Entry<E> previous;

    Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
        this.element = element;
        this.next = next;
        this.previous = previous;
   }
}

定义了存储的元素、前一个元素、后一个元素，这就是双向链表的节点的定义，每个节点只知道自己的前一个节点和后一个节点。

3.LinkedList的构造方法

public LinkedList() {
    header.next = header.previous = header;
}


public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
   addAll(c);
}

LinkedList提供了两个构造方法。

　　第一个构造方法不接受参数，将header实例的previous和next全部指向header实例（注意，这个是一个双向循环链表，如果不是循环链表，空链表的情况应该是header节点的前一节点和后一节点均为null），这样整个链表其实就只有header一个节点，用于表示一个空的链表。执行完构造函数后，header实例自身形成一个闭环。

　　第二个构造方法接收一个Collection参数c，调用第一个构造方法构造一个空的链表，之后通过addAll将c中的元素全部添加到链表中。

4.元素添加

// 将元素(E)添加到LinkedList中
     public boolean add(E e) {
         // 将节点(节点数据是e)添加到表头(header)之前。
         // 即，将节点添加到双向链表的末端。
         addBefore(e, header);
         return true;
     }

     public void add(int index, E element) {
         addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
     }
    
    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
         Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
         newEntry.previous.next = newEntry;
         newEntry.next.previous = newEntry;
         size++;
         modCount++;
         return newEntry;
    }

　　addBefore(E e,Entry<E> entry)方法是个私有方法，所以无法在外部程序中调用（当然，这是一般情况，你可以通过反射上面的还是能调用到的）。

　　addBefore(E e,Entry<E> entry)先通过Entry的构造方法创建e的节点newEntry（包含了将其下一个节点设置为entry，上一个节点设置为entry.previous的操作，相当于修改newEntry的“指针”），之后修改插入位置后newEntry的前一节点的next引用和后一节点的previous引用，使链表节点间的引用关系保持正确。之后修改和size大小和记录modCount，然后返回新插入的节点。

　　总结，addBefore(E e,Entry<E> entry)实现在entry之前插入由e构造的新节点。而add(E e)实现在header节点之前插入由e构造的新节点。

另外，还有addFirst和addLast方法

public void addFirst(E e) {
     addBefore(e, header.next);
 }

 public void addLast(E e) {
     addBefore(e, header);
 }

　　addFrist(E e)只需实现在header元素的下一个元素之前插入，即示意图中的一号之前。addLast(E e)只需在实现在header节点前（因为是循环链表，所以header的前一个节点就是链表的最后一个节点）插入节点（插入后在2号节点之后）。

5.删除数据remove()

　　LinkedList中删除数据的方法有很多。remove()，remove(int index)，remove(Object o)， removeFirst()，removeLast()，removeFirstOccurrence()，removeLastOccurence()等。几个remove方法最终都是调用了一个私有方法：remove(Entry<E> e)，只是其他简单逻辑上的区别。下面分析remove(Entry<E> e)方法。

private E remove(Entry<E> e) {
    if (e == header)
        throw new NoSuchElementException();
    // 保留将被移除的节点e的内容
    E result = e.element;
    // 将前一节点的next引用赋值为e的下一节点
    e.previous.next = e.next;
    // 将e的下一节点的previous赋值为e的上一节点
    e.next.previous = e.previous;
    // 上面两条语句的执行已经导致了无法在链表中访问到e节点，而下面解除了e节点对前后节点的引用
    e.next = e.previous = null;
    // 将被移除的节点的内容设为null
    e.element = null;
    // 修改size大小
    size--;
    modCount++;
    // 返回移除节点e的内容
    return result;
}

清空预删除节点：

e.next = e.previous = null;

e.element = null;

交给gc完成资源回收，删除操作结束。

与ArrayList比较而言，LinkedList的删除动作不需要“移动”很多数据，从而效率更高。

6.clear()和clone()方法

(1).clear()

public void clear() {
Entry<E> e = header.next;
// e可以理解为一个移动的“指针”，因为是循环链表，所以回到header的时候说明已经没有节点了
while (e != header) {
    // 保留e的下一个节点的引用
        Entry<E> next = e.next;
        // 接触节点e对前后节点的引用
        e.next = e.previous = null;
        // 将节点e的内容置空
        e.element = null;
        // 将e移动到下一个节点
        e = next;
}
// 将header构造成一个循环链表，同构造方法构造一个空的LinkedList
header.next = header.previous = header;
// 修改size
    size = 0;
    modCount++;
}

(2).clone()

public Object clone() {
    LinkedList<E> clone = null;
    try {
        clone = (LinkedList<E>) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new InternalError();
   }
    clone.header = new Entry<E>(null, null, null);
    clone.header.next = clone.header.previous = clone.header;
    clone.size = 0;
    clone.modCount = 0;
    for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
       clone.add(e.element);
    return clone;
}

　　调用父类的clone()方法初始化对象链表clone，将clone构造成一个空的双向循环链表，之后将header的下一个节点开始将逐个节点添加到clone中。最后返回克隆的clone对象。

7.toArray()方法

(1).toArray()

public Object[] toArray() {
    Object[] result = new Object[size];
    int i = 0;
    for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
        result[i++] = e.element;
    return result;
}

创建大小和LinkedList相等的数组result，遍历链表，将每个节点的元素element复制到数组中，返回数组。

(2).toArray(T[] a)

public <T> T[] toArray(T[] a) {
    if (a.length < size)
        a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
                               a.getClass().getComponentType(), size);
    int i = 0;
    Object[] result = a;
    for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
        result[i++] = e.element;
    if (a.length > size)
        a[size] = null;
    return a;
}

　　先判断出入的数组a的大小是否足够，若大小不够则拓展。这里用到了发射的方法，重新实例化了一个大小为size的数组。之后将数组a赋值给数组result，遍历链表向result中添加的元素。最后判断数组a的长度是否大于size，若大于则将size位置的内容设置为null。返回a。

　　从代码中可以看出，数组a的length小于等于size时，a中所有元素被覆盖，被拓展来的空间存储的内容都是null；若数组a的length的length大于size，则0至size-1位置的内容被覆盖，size位置的元素被设置为null，size之后的元素不变。

8.遍历数据：Iterator()

除了Entry，LinkedList还有一个内部类：ListItr。

ListItr实现了ListIterator接口，可知它是一个迭代器，通过它可以遍历修改LinkedList。

在LinkedList中提供了获取ListItr对象的方法：listIterator(int index)。

下面详细分析ListItr。

private class ListItr implements ListIterator<E> {
// 最近一次返回的节点，也是当前持有的节点
    private Entry<E> lastReturned = header;
    // 对下一个元素的引用
    private Entry<E> next;
    // 下一个节点的index
    private int nextIndex;
    private int expectedModCount = modCount;
    // 构造方法，接收一个index参数，返回一个ListItr对象
    ListItr(int index) {
        // 如果index小于0或大于size，抛出IndexOutOfBoundsException异常
        if (index < 0 || index > size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                            ", Size: "+size);
        // 判断遍历方向
        if (index < (size >> 1)) {
        // next赋值为第一个节点
        next = header.next;
        // 获取指定位置的节点
        for (nextIndex=0; nextIndex<index; nextIndex++)
            next = next.next;
        } else {
// else中的处理和if块中的处理一致，只是遍历方向不同
        next = header;
        for (nextIndex=size; nextIndex>index; nextIndex--)
            next = next.previous;
       }
   }
    // 根据nextIndex是否等于size判断时候还有下一个节点（也可以理解为是否遍历完了LinkedList）
    public boolean hasNext() {
        return nextIndex != size;
   }
    // 获取下一个元素
    public E next() {
       checkForComodification();
        // 如果nextIndex==size,则已经遍历完链表，即没有下一个节点了（实际上是有的，因为是循环链表，任何一个节点都会有上一个和下一个节点，这里的没有下一个节点只是说所有节点都已经遍历完了）
        if (nextIndex == size)
        throw new NoSuchElementException();
        // 设置最近一次返回的节点为next节点
        lastReturned = next;
        // 将next“向后移动一位”
        next = next.next;
        // index计数加1
        nextIndex++;
        // 返回lastReturned的元素
        return lastReturned.element;
   }

    public boolean hasPrevious() {
        return nextIndex != 0;
   }
    // 返回上一个节点，和next()方法相似
    public E previous() {
        if (nextIndex == 0)
        throw new NoSuchElementException();

        lastReturned = next = next.previous;
        nextIndex--;
       checkForComodification();
        return lastReturned.element;
   }

    public int nextIndex() {
        return nextIndex;
   }

    public int previousIndex() {
        return nextIndex-1;
   }
    // 移除当前Iterator持有的节点
    public void remove() {
           checkForComodification();
            Entry<E> lastNext = lastReturned.next;
            try {
                LinkedList.this.remove(lastReturned);
            } catch (NoSuchElementException e) {
                throw new IllegalStateException();
           }
        if (next==lastReturned)
                next = lastNext;
            else
        nextIndex--;
        lastReturned = header;
        expectedModCount++;
   }
    // 修改当前节点的内容
    public void set(E e) {
        if (lastReturned == header)
        throw new IllegalStateException();
       checkForComodification();
        lastReturned.element = e;
   }
    // 在当前持有节点后面插入新节点
    public void add(E e) {
       checkForComodification();
        // 将最近一次返回节点修改为header
        lastReturned = header;
       addBefore(e, next);
        nextIndex++;
        expectedModCount++;
   }
    // 判断expectedModCount和modCount是否一致，以确保通过ListItr的修改操作正确的反映在LinkedList中
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
   }
}

下面是一个ListItr的使用实例。

LinkedList<String> list = new LinkedList<String>();
        list.add("First");
        list.add("Second");
        list.add("Thrid");
       System.out.println(list);
        ListIterator<String> itr = list.listIterator();
        while (itr.hasNext()) {
           System.out.println(itr.next());
       }
        try {
            System.out.println(itr.next());// throw Exception
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
       }
        itr = list.listIterator();
       System.out.println(list);
       System.out.println(itr.next());
        itr.add("new node1");
       System.out.println(list);
        itr.add("new node2");
       System.out.println(list);
       System.out.println(itr.next());
        itr.set("modify node");
       System.out.println(list);
       itr.remove();
        System.out.println(list);

结果：
[First, Second, Thrid]
First
Second
Thrid
[First, Second, Thrid]
First
[First, new node1, Second, Thrid]
[First, new node1, new node2, Second, Thrid]
Second
[First, new node1, new node2, modify node, Thrid]
[First, new node1, new node2, Thrid]

LinkedList还有一个提供Iterator的方法：descendingIterator()。该方法返回一个DescendingIterator对象。DescendingIterator是LinkedList的一个内部类。

9.其他方法

LinkedList中还有许多其他方法，在此不一一介绍。

contains(Object o)，element()，getFirst()，get(int index)，getLast()，set(int index,E element)， lastIndexOf(Object o)，

offer(E e)  在链表尾部插入元素，offerFirst(E e)  在链表开头插入元素，offerLast(E e)  在链表末尾插入元素    这三个方法都调用了相应的add方法。

peek()，peekFirst()，peekLast()  调用了对应的get方法

poll()，pollFirst()，pollLast()  poll相关的方法都是获取并移除某个元素。都是和remove操作相关。

pop()，push(E e)  弹出一个元素和压入一个元素，仅仅是调用了removeFirst()和addFirst()方法。

参考：http://www.cnblogs.com/ITtangtang/p/3948610.html#a9

http://www.cnblogs.com/hzmark/archive/2012/12/25/LinkedList.html