线性数据结构

链表 LinkList

链表的数据结构

一组由节点组成的数据结构，每个元素指向下一个元素，是线性序列。

最简单的链表结构：

数据
指针（存放执行下一个节点的指针）

不适合的场景：

需要循环遍历将导致时间复杂度的提升

链表分类—单向链表

链表结构：

数据
指针 Next（指向下一个节点）

链表分类-双向列表

链表结构：

数据
指针 Next(指向下一个节点)
指针 Prev（指向前一个节点）

链表分类-循环列表

链表结构：

数据
指针 Next(指向下一个节点，最后一个节点指向第一个节点)

实现一个双向链表

实现链表节点：

public class Node<E> {
    E item;
    Node<E> prev;
    Node<E> next;

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

在头节点之前插入节点：

void insertNodeBeforeHead(E e){
final Node<E> oldHeadNode=head;
final Node<E> newHeadNode=new Node<E>(e,null,oldHeadNode);
        head=newHeadNode;
        if(oldHeadNode==null){
        // 说明原先链表中没有元素
        tail=newHeadNode;
        }else{
        // 如果有元素，则需要改变头节点的指针指向
        oldHeadNode.prev=newHeadNode;
        }
        size++;
        }

在尾节点之后插入节点：

void insertNodeAfterTail(E e){
final Node<E> oldTailNode=tail;
final Node<E> newTailNode=new Node<E>(e,oldTailNode,null);
        tail=newTailNode;
        if(oldTailNode==null){
        head=newTailNode;
        }else{
        oldTailNode.next=newTailNode;
        }
        size++;
        }

拆除链表：

E unlinkByNode(Node<E> node){
final E element=node.item;
final Node<E> prevNode=node.prev;
final Node<E> nextNode=node.next;
        // 改变前一个元素的next指针指向的元素
        if(prevNode==null){
        // 说明是头节点
        head=nextNode;
        }else{
        prevNode.next=nextNode;
        node.prev=null;
        }
        // 改变后一个元素的prev指针指向的元素
        if(nextNode==null){
        // 说明是尾节点，没有下一个元素
        tail=prevNode;
        }else{
        nextNode.prev=prevNode;
        node.next=null;
        }

        size--;
        node.item=null;
        return null;
        }

移除元素：

 public boolean removeNodeByElement(E e){
        if(e==null){
        for(Node<E> start=head;start!=null;start=start.next){
        if(start.item==null){
        unlinkByNode(start);
        return true;
        }
        }
        }else{
        for(Node<E> start=head;start!=null;start=start.next){
        if(start.item.equals(e)){
        unlinkByNode(start);
        return true;
        }
        }
        }
        return false;
        }

LinkedList 源码解读

继承关系

在这里插入图片描述

关键属性

    transient int size=0;

/**
 * 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;

Node

其中节点 Node 的数据结构如下，是 LinkedList 的内部类：

 private static class Node<E> {
    E item; // 存储数据
    Node<E> next; // 指向下一个节点
    Node<E> prev; // 指向前一个节点

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

transient 的作用

首先，需要理解 Java 中序列化和反序列化的作用：

序列化：将内存中的对象信息转化为二进制数组的方法，可以将数组保存和传输，然后使用原来的类模板恢复对象的信息。
反序列化：使用原来的类模板将序列化后的二进制数组恢复为 Java 对象。

如何实现序列化和反序列化：

实现 Serializable 接口：
- 写对象信息：ObjectOutputStream.writeObject(Object object)，该方法会判断 object 是否重写了 writeObject
  方法，如果重写了，则通过反射调用重写后的方法，完成序列化
- 读对象信息：ObjectInputStream.readObject()

什么情况下不需要序列化：

节省空间，去除部分无用的属性
持有对象的引用（对象在内存中的地址值）

LinkedList 将 first 和 last 修饰成 transient 的原因：

节省空间
重新连接链表：结点中保存前驱和后继的引用，序列化之后前序结点和后继结点的地址发生了改变，需要连接新的节点。

writeObject && readObject

LinkedList 重写了 writeObject 和 readObject 方法，自定义了序列化和反序列化的过程，用于重新链接节点：

序列化：writeObject


/**
 * Saves the state of this {@code LinkedList} instance to a stream
 * (that is, serializes it).
 *
 * @serialData The size of the list (the number of elements it
 *             contains) is emitted (int), followed by all of its
 *             elements (each an Object) in the proper order.
 */
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
        // Write out any hidden serialization magic 调用默认的序列化方法
        s.defaultWriteObject();

        // Write out size 指定序列化的容量，单位：32 bit int
        s.writeInt(size);

        // Write out all elements in the proper order.
        // 只把结点中的值序列化，前序和后继的引用不序列化
        for(Node<E> x=first;x!=null;x=x.next)
        s.writeObject(x.item);
        }

反序列化：readObject

/**
 * Reconstitutes this {@code LinkedList} instance from a stream
 * (that is, deserializes it).
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException,ClassNotFoundException{
        // Read in any hidden serialization magic 用默认的反序列化方法
        s.defaultReadObject();

        // Read in size 指定读的容量
        int size=s.readInt();

        // Read in all elements in the proper order.
        // 读取每一个结点保存的值，创建新结点，重新连接链表。
        for(int i=0;i<size; i++)
        linkLast((E)s.readObject()); // linkLast是向链表中的尾部插入节点的方法
        }

向链表的最后一个节点插入元素值为 e 的节点：linkLast(E e)

核心流程：

拿到当前的尾节点，记为 l
使用需要创建的元素 e 创建一个新的节点 newNode，prev 属性为 l 节点，next 属性为 null
将当前尾节点设置为上面新创建的节点 newNode
如果 l 节点为空则代表当前链表为空, 将 newNode 设置为头结点，否则将 l 节点的 next 属性设置为 newNode

    /**
 * 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++;
        }

向指定节点前插入元素值为 e 的节点: linkBefore(E e, Node succ)

核心流程：

拿到 succ 节点的 prev 节点
使用 e 创建一个新的节点 newNode，其中 prev 属性为 pred 节点，next 属性为 succ 节点
将 succ 节点的 prev 属性设置为 newNode
如果 pred 节点为 null，则代表 succ 节点为头结点，要把 e 插入 succ 前面，因此将 first 设置为 newNode，否则将 pred 节点的 next 属性设为 newNode

    /**
 * 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++;
        }

移除链接上的节点 x（取消链接 x）：E unlink(Node x)

核心流程：

定义 element 为 x 节点的值，next 为 x 节点的下一个节点，prev 为 x 节点的上一个节点
如果 prev 为空，则代表 x 节点为头结点，则将 first 指向 next 即可；否则，x 节点不为头结点，将 prev 节点的 next 属性指向 x 节点的 next 属性，并将 x 的 prev 属性清空
如果 next 为空，则代表 x 节点为尾节点，则将 last 指向 prev 即可；否则，x 节点不为尾节点，将 next 节点的 prev 属性指向 x 节点的 prev 属性，并将 x 的 next 属性清空
将 x 的 item 属性清空，以便垃圾收集器回收 x 对象

    /**
 * 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;
        }

插入元素：add

默认插入方法，尾部插入：boolean add(E e)

直接插入链表尾部

    /**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e){
        linkLast(e);
        return true;
        }

指定位置插入元素：add(int index,E element)

流程：

检查索引 index 是否越界（只要用到了索引 index，都会判断是否越界）
如果索引 index 和链表当前的长度 size 相同，则执行尾部插入
否则，将 element 插入原 index 位置节点的前面

    /**
 * Inserts the specified element at the specified position in this list.
 * Shifts the element currently at that position (if any) and any
 * subsequent elements to the right (adds one to their indices).
 *
 * @param index index at which the specified element is to be inserted
 * @param element element to be inserted
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public void add(int index,E element){
        checkPositionIndex(index);

        if(index==size)
        linkLast(element);
        else
        linkBefore(element,node(index));
        }

获取节点：get

核心流程：

根据 index，调用 node 方法,寻找目标节点，返回目标节点的 item。

    /**
 * Returns the element at the specified position in this list.
 *
 * @param index index of the element to return
 * @return the element at the specified position in this list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E get(int index){
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
        }

根据指定索引 index 位置查找节点

核心流程：

如果 index 的长度是链表长度的一半，则在链表前半部分，从头节点开始遍历
否则，从尾节点开始遍历

    /**
 * 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;
        }
        }

替换指定位置的元素：set

核心流程：

调用 node 方法寻找到目标节点
将目标节点的 item 属性，替换为目标元素

    /**
 * Replaces the element at the specified position in this list with the
 * specified element.
 *
 * @param index index of the element to replace
 * @param element element to be stored at the specified position
 * @return the element previously at the specified position
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E set(int index,E element){
        checkElementIndex(index);
        Node<E> x=node(index);
        E oldVal=x.item;
        x.item=element;
        return oldVal;
        }

移除节点

移除指定元素的节点：boolean remove(Object o)

核心流程：

因为普通元素值和 null 判断存在区别，所以需要判断 o 是否为 null，如果 o 为 null，则遍历链表寻找 item 属性为空的节点，并调用 unlink 方法将该节点移除
否则，遍历链表寻找 item 属性跟 o 相同的节点，并调用 unlink 方法将该节点移除。

    /**
 * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
 * if it is present.  If this list does not contain the element, it is
 * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
 * {@code i} such that
 * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>
 * (if such an element exists).  Returns {@code true} if this list
 * contained the specified element (or equivalently, if this list
 * changed as a result of the call).
 *
 * @param o element to be removed from this list, if present
 * @return {@code true} if this list contained the specified element
 */
public boolean remove(Object o){
        if(o==null){
        for(Node<E> x=first;x!=null;x=x.next){
        if(x.item==null){
        unlink(x);
        return true;
        }
        }
        }else{
        for(Node<E> x=first;x!=null;x=x.next){
        if(o.equals(x.item)){
        unlink(x);
        return true;
        }
        }
        }
        return false;
        }

移除指定索引位置的节点：remove(int index)

核心流程：

调用 unlink 方法，移除 index 位置的节点

    /**
 * Removes the element at the specified position in this list.  Shifts any
 * subsequent elements to the left (subtracts one from their indices).
 * Returns the element that was removed from the list.
 *
 * @param index the index of the element to be removed
 * @return the element previously at the specified position
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E remove(int index){
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
        }

清除链表中的所有元素：clear

从 first 节点开始遍历，将所有的节点的 item、next、prev 值设置为 null。

    public void clear(){
        // Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
        // - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
        //   more than one generation
        // - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
        for(Node<E> x=first;x!=null;){
        Node<E> next=x.next;
        x.item=null;
        x.next=null;
        x.prev=null;
        x=next;
        }
        first=last=null;
        size=0;
        modCount++;
        }