Java数据结构之LinkedList

Java数据结构之LinkedList - JackPeng博客

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。

先看LinkedList类的定义。

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

LinkedList继承自AbstractSequenceList、实现了List及Deque接口。其实AbstractSequenceList已经实现了List接口，这里标注出List只是更加清晰而已。AbstractSequenceList提供了List接口骨干性的实现以减少实现List接口的复杂度。Deque接口定义了双端队列的操作。

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;

size肯定就是LinkedList对象里面存储的元素个数了。LinkedList既然是基于链表实现的，那么这个header肯定就是链表的头结点了，Entry就是节点对象了。一下是Entry类的代码。

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

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

只定义了存储的元素、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。

来看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，只是将header节点的前一节点和后一节点都设置为自身（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。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。来看addAll的内容。

ArrayList的属性

ArrayList定义只定义类两个私有属性：

  /** 
  * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. 
  * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. 
  */  
 private transient Object[] elementData;  
   
 /** 
  * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). 
  * 
  * @serial 
  */  
 private int size;

很容易理解，elementData存储ArrayList内的元素，size表示它包含的元素的数量。

有个关键字需要解释：transient。

Java的serialization提供了一种持久化对象实例的机制。当持久化对象时，可能有一个特殊的对象数据成员，我们不想用serialization机制来保存它。为了在一个特定对象的一个域上关闭serialization，可以在这个域前加上关键字transient。
ansient是Java语言的关键字，用来表示一个域不是该对象串行化的一部分。当一个对象被串行化的时候，transient型变量的值不包括在串行化的表示中，然而非transient型的变量是被包括进去的。

有点抽象，看个例子应该能明白。

public class UserInfo implements Serializable {  
 private static final long serialVersionUID = 996890129747019948L;  
 private String name;  
 private transient String psw;  
   
 public UserInfo(String name, String psw) {  
     this.name = name;  
     this.psw = psw;  
 }  
   
 public String toString() {  
     return "name=" + name + ", psw=" + psw;  
 }  
 }  
   
public class TestTransient {  
 public static void main(String[] args) {  
     UserInfo userInfo = new UserInfo("张三", "123456");  
     System.out.println(userInfo);  
     try {  
         // 序列化，被设置为transient的属性没有被序列化  
         ObjectOutputStream o = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(  
                 "UserInfo.out"));  
         o.writeObject(userInfo);  
         o.close();  
     } catch (Exception e) {  
         // TODO: handle exception  
         e.printStackTrace();  
     }  
     try {  
         // 重新读取内容  
         ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(  
                 "UserInfo.out"));  
         UserInfo readUserInfo = (UserInfo) in.readObject();  
         //读取后psw的内容为null  
         System.out.println(readUserInfo.toString());  
     } catch (Exception e) {  
         // TODO: handle exception  
         e.printStackTrace();  
     }  
 }  
}

被标记为transient的属性在对象被序列化的时候不会被保存。

ArrayList的构造方法

/** 
  * Constructs an empty list with the specified initial capacity. 
  */  
 public ArrayList(int initialCapacity) {  
 super();  
     if (initialCapacity < 0)  
         throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+  
                                            initialCapacity);  
 this.elementData = new Object[initialCapacity];  
 }  
   
 /** 
  * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. 
  */  
 public ArrayList() {  
 this(10);  
 }  
   
 /** 
  * Constructs a list containing the elements of the specified 
  * collection, in the order they are returned by the collection's 
  * iterator. 
  */  
 public ArrayList(Collection<? extends E> c) {  
 elementData = c.toArray();  
 size = elementData.length;  
 // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)  
 if (elementData.getClass() != Object[].class)  
     elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);  
 }

第一个构造方法使用提供的initialCapacity来初始化elementData数组的大小。第二个构造方法调用第一个构造方法并传入参数10，即默认elementData数组的大小为10。第三个构造方法则将提供的集合转成数组返回给elementData（返回若不是Object[]将调用Arrays.copyOf方法将其转为Object[]）。

ArrayList的其他方法

add(E e)

add(E e)都知道是在尾部添加一个元素，如何实现的呢？

  public boolean add(E e) {  
   ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
   elementData[size++] = e;  
   return true;  
  }

书上都说ArrayList是基于数组实现的，属性中也看到了数组，具体是怎么实现的呢？比如就这个添加元素的方法，如果数组大，则在将某个位置的值设置为指定元素即可，如果数组容量不够了呢？

看到add(E e)中先调用了ensureCapacity(size+1)方法，之后将元素的索引赋给elementData[size]，而后size自增。例如初次添加时，size为0，add将elementData[0]赋值为e，然后size设置为1（类似执行以下两条语句elementData[0]=e;size=1）。将元素的索引赋给elementData[size]不是会出现数组越界的情况吗？这里关键就在ensureCapacity(size+1)中了。

根据ensureCapacity的方法名可以知道是确保容量用的。ensureCapacity(size+1)后面的注释可以明白是增加modCount的值（加了俩感叹号，应该蛮重要的，来看看）。

 /** 
  * Increases the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance, if 
  * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements 
  * specified by the minimum capacity argument. 
  * 
  * @param   minCapacity   the desired minimum capacity 
  */  
 public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
 modCount++;  
 int oldCapacity = elementData.length;  
 if (minCapacity > oldCapacity) {  
     Object oldData[] = elementData;  
     int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  
         if (newCapacity < minCapacity)  
     newCapacity = minCapacity;  
         // minCapacity is usually close to size, so this is a win:  
         elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
 }  
 }

The number of times this list has been structurally modified.

这是对modCount的解释，意为记录list结构被改变的次数（观察源码可以发现每次调用ensureCapacoty方法，modCount的值都将增加，但未必数组结构会改变，所以感觉对modCount的解释不是很到位）。

增加modCount之后，判断minCapacity（即size+1）是否大于oldCapacity（即elementData.length），若大于，则调整容量为max((oldCapacity*3)/2+1,minCapacity)，调整elementData容量为新的容量，即将返回一个内容为原数组元素，大小为新容量的数组赋给elementData；否则不做操作。

所以调用ensureCapacity至少将elementData的容量增加的1，所以elementData[size]不会出现越界的情况。

容量的拓展将导致数组元素的复制，多次拓展容量将执行多次整个数组内容的复制。若提前能大致判断list的长度，调用ensureCapacity调整容量，将有效的提高运行速度。

可以理解提前分配好空间可以提高运行速度，但是测试发现提高的并不是很大，而且若list原本数据量就不会很大效果将更不明显。

Add方法

add(int index, E element)

add(int index,E element)在指定位置插入元素。

 public void add(int index, E element) {  
 if (index > size || index < 0)  
     throw new IndexOutOfBoundsException(  
     "Index: "+index+", Size: "+size);  
   
 ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!  
 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,  
          size - index);  
 elementData[index] = element;  
 size++;  
 }

首先判断指定位置index是否超出elementData的界限，之后调用ensureCapacity调整容量（若容量足够则不会拓展），调用System.arraycopy将elementData从index开始的size-index个元素复制到index+1至size+1的位置（即index开始的元素都向后移动一个位置），然后将index位置的值指向element。

addAll(Collection<? extends E> c)

 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {  
 if (index > size || index < 0)  
     throw new IndexOutOfBoundsException(  
     "Index: " + index + ", Size: " + size);  
   
 Object[] a = c.toArray();  
 int numNew = a.length;  
 ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
   
 int numMoved = size - index;  
 if (numMoved > 0)  
     System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,  
              numMoved);  
   
     System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);  
 size += numNew;  
 return numNew != 0;  
 }

先判断index是否越界。其他内容与addAll(Collection<? extends E> c)基本一致，只是复制的时候先将index开始的元素向后移动X（c转为数组后的长度）个位置（也是一个复制的过程），之后将数组内容复制到elementData的index位置至index+X。

Clear方法

public void clear() {  
 modCount++;  
   
 // Let gc do its work  
 for (int i = 0; i < size; i++)  
     elementData[i] = null;  
   
 size = 0;  
 }

clear的时候并没有修改elementData的长度（好不容易申请、拓展来的，凭什么释放，留着搞不好还有用呢。这使得确定不再修改list内容之后最好调用trimToSize来释放掉一些空间），只是将所有元素置为null，size设置为0。

clone()

返回此 ArrayList 实例的浅表副本。（不复制这些元素本身。）

 public Object clone() {  
 try {  
     ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();  
     v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
     v.modCount = 0;  
     return v;  
 } catch (CloneNotSupportedException e) {  
     // this shouldn't happen, since we are Cloneable  
     throw new InternalError();  
 }  
 }

调用父类的clone方法返回一个对象的副本，将返回对象的elementData数组的内容赋值为原对象elementData数组的内容，将副本的modCount设置为0。

contains(Object)

public boolean contains(Object o) {  
 return indexOf(o) >= 0;  
 }

indexOf方法返回值与0比较来判断对象是否在list中。接着看indexOf。

indexOf(Object)

public int indexOf(Object o) {  
 if (o == null) {  
     for (int i = 0; i < size; i++)  
     if (elementData[i]==null)  
         return i;  
 } else {  
     for (int i = 0; i < size; i++)  
     if (o.equals(elementData[i]))  
         return i;  
 }  
 return -1;  
 }

通过遍历elementData数组来判断对象是否在list中，若存在，返回index（[0,size-1]），若不存在则返回-1。所以contains方法可以通过indexOf(Object)方法的返回值来判断对象是否被包含在list中。

既然看了indexOf(Object)方法，接着就看lastIndexOf，光看名字应该就明白了返回的是传入对象在elementData数组中最后出现的index值。

public int lastIndexOf(Object o) {  
 if (o == null) {  
     for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
     if (elementData[i]==null)  
         return i;  
 } else {  
     for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
     if (o.equals(elementData[i]))  
         return i;  
 }  
 return -1;  
 }

采用了从后向前遍历element数组，若遇到Object则返回index值，若没有遇到，返回-1。

get(int index)

 public E get(int index) {  
 RangeCheck(index);  
  
 return (E) elementData[index];  
 }

但看代码的时候看到调用了RangeCheck方法，而且还是大写的方法，看看究竟有什么内容吧。

  /** 
  * Checks if the given index is in range. 
  */  
 private void RangeCheck(int index) {  
   if (index >= size)  
     throw new IndexOutOfBoundsException(  
     "Index: "+index+", Size: "+size);  
  }

isEmpty()

直接返回size是否等于0。

remove(int index)

 public E remove(int index) {  
 RangeCheck(index);  
 modCount++;  
 E oldValue = (E) elementData[index];  
 int numMoved = size - index - 1;  
 if (numMoved > 0)  
     System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
              numMoved);  
 elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
 return oldValue;  
 }

首先是检查范围，修改modCount，保留将要被移除的元素，将移除位置之后的元素向前挪动一个位置，将list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。

remove(Object o)

 public boolean remove(Object o) {  
 if (o == null) {  
         for (int index = 0; index < size; index++)  
     if (elementData[index] == null) {  
         fastRemove(index);  
         return true;  
     }  
 } else {  
     for (int index = 0; index < size; index++)  
     if (o.equals(elementData[index])) {  
         fastRemove(index);  
         return true;  
     }  
     }  
 return false;  
 }

首先通过代码可以看到，当移除成功后返回true，否则返回false。remove(Object o)中通过遍历element寻找是否存在传入对象，一旦找到就调用fastRemove移除对象。为什么找到了元素就知道了index，不通过remove(index)来移除元素呢？因为fastRemove跳过了判断边界的处理，因为找到元素就相当于确定了index不会超过边界，而且fastRemove并不返回被移除的元素。下面是fastRemove的代码，基本和remove(index)一致。

 private void fastRemove(int index) {  
     modCount++;  
     int numMoved = size - index - 1;  
     if (numMoved > 0)  
         System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
                          numMoved);  
     elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
 }

removeRange(int fromIndex,int toIndex)

 protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {  
 modCount++;  
 int numMoved = size - toIndex;  
     System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,  
                      numMoved);  
   
 // Let gc do its work  
 int newSize = size - (toIndex-fromIndex);  
 while (size != newSize)  
     elementData[--size] = null;  
 }

执行过程是将elementData从toIndex位置开始的元素向前移动到fromIndex，然后将toIndex位置之后的元素全部置空顺便修改size。

这个方法是protected，及受保护的方法，为什么这个方法被定义为protected呢？

这是一个解释，但是可能不容易看明白。http://stackoverflow.com/questions/2289183/why-is-javas-abstractlists-removerange-method-protected

先看下面这个例子

  ArrayList<Integer> ints = new ArrayList<Integer>(Arrays.asList(0, 1, 2,  
             3, 4, 5, 6));  
     // fromIndex low endpoint (inclusive) of the subList  
     // toIndex high endpoint (exclusive) of the subList  
    ints.subList(2, 4).clear();  
     System.out.println(ints);

输出结果是[0, 1, 4, 5, 6]，结果是不是像调用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)！哈哈哈，就是这样的。但是为什么效果相同呢？是不是调用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)呢？

set(int index,E element)

 public E set(int index, E element) {  
 RangeCheck(index);  
   
 E oldValue = (E) elementData[index];  
 elementData[index] = element;  
 return oldValue;  
 }   首先检查范围，用新元素替换旧元素并返回旧元素。

toArray()

public Object[] toArray() {  
     return Arrays.copyOf(elementData, size);  
 }

调用Arrays.copyOf将返回一个数组，数组内容是size个elementData的元素，即拷贝elementData从0至size-1位置的元素到新数组并返回。

toArray(T[] a)

public <T> T[] toArray(T[] a) {  
     if (a.length < size)  
         // Make a new array of a's runtime type, but my contents:  
         return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());  
 System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);  
     if (a.length > size)  
         a[size] = null;  
     return a;  
 }

trimToSize()

 public void trimToSize() {  
 modCount++;  
 int oldCapacity = elementData.length;  
 if (size < oldCapacity) {  
         elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
 }  
 }

由于elementData的长度会被拓展，size标记的是其中包含的元素的个数。所以会出现size很小但elementData.length很大的情况，将出现空间的浪费。trimToSize将返回一个新的数组给elementData，元素内容保持不变，length很size相同，节省空间。

学习Java最好的方式还必须是读源码。读完源码你才会发现这东西为什么是这么玩的，有哪些限制，关键点在哪里等等。而且这些源码都是大牛们写的，你能从中学习到很多

http://blog.csdn.net/jzhf2012/article/details/8540410

ArrayList的属性

ArrayList的构造方法

Add方法

Clear方法

clone()

contains(Object)

indexOf(Object)

get(int index)

isEmpty()

remove(int index)

remove(Object o)

removeRange(int fromIndex,int toIndex)

set(int index,E element)

toArray()

toArray(T[] a)

trimToSize()

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