參考地址:
《Java集合詳解2:LinkedList和Queue》
《Java ArrayDeque實現Stack的功能》
《java數據結構—-堆》
《深入理解Java PriorityQueue》
前言及概述
注:本文是基於的 HowToPlayLife 的博文《Java集合詳解2:LinkedList和Queue》爲基礎而寫的。
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 類還爲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,爲 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)。
一. 源碼分析
1.1 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:
- AbstractSequentialList: 提供了 List 接口的骨幹實現,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 接口的複雜度;
- 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。
1.2 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 爲節點對象。
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;
}
}
上面爲 Entry 對象的源代碼,Entry 爲 LinkedList 的內部類,它定義了存儲的元素。該元素的前一個元素、後一個元素,這是典型的雙向鏈表定義方式。
1.3 構造方法
LinkedList提供了兩個構造方法:LinkedList() 和 LinkedList(Collection)。
1.4 增加方法
- add(E e): 將指定元素添加到此列表的結尾。
// 該方法調用addBefore方法,然後直接返回true,對於addBefore()而已,它爲LinkedList的私有方法。
public boolean add(E e) {
addBefore(e, header);
return true;
}
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的前後節點的引用,確保其鏈表的引用關係是正確的
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,然後修改其前後的引用。
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
1.5 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爲 null,然後迭代這個鏈表找到該元素節點,最後調用remove(Entry e),remove(Entry e) 爲私有方法,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指向該節點後節點
e.previous.next = e.next;
//將該節點的後一節點的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後一個元素。
- removeLastOccurrence(Object o): 從此列表中移除最後一次出現的指定元素(從頭部到尾部遍歷列表時)。
1.6 查找方法
對於查找方法的源碼就沒有什麼好介紹了,無非就是迭代,比對,然後就是返回當前值。
- 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(): 返回此列表的最後一個元素。
- 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): 返回此列表中最後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。
二. 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:
2.1 Deque
Deque (Double-ended queue) 爲接口,繼承了 Queue 接口,創建雙向隊列,靈活性更強,可以前向或後向迭代,在隊頭隊尾均可插入或刪除元素。它的兩個主要實現類是 ArrayDeque 和 LinkedList。
Deque 接口源碼如下:
package java.util;
public interface Deque<E> extends Queue<E> {
void addFirst(E e);
void addLast(E e);
boolean offerFirst(E e);
boolean offerLast(E e);
E removeFirst();
E removeLast();
E pollFirst();
E pollLast();
E getFirst();
E getLast();
E peekFirst();
E peekLast();
boolean removeLastOccurrence(Object o);
// *** Queue methods ***
boolean add(E e);
boolean offer(E e);
E remove();
E poll();
E element();
E peek();
// *** Stack methods ***
void push(E e);
E pop();
// *** Collection methods ***
boolean remove(Object o);
boolean contains(Object o);
public int size();
Iterator<E> iterator();
Iterator<E> descendingIterator();
}
2.2 ArrayDeque
ArrayDeque 在 CarpenterLee 的博文 《Java ArrayDeque源碼剖析》 中做了很詳盡的解釋,可參考該博客。
在 JDK 1.0/1.1 中提供了棧 (Stack) 的定義,但該方法已經過時了。通過 ArrayDeque 可以用較高效的方法實現棧。
例如創建一個存放 Integer 類型的 Stack,只要在類中創建一個 ArrayDeque 類的變量作爲屬性,之後定義的出棧、入棧,觀察棧頂元素的操作就直接操作 ArrayDeque 的實例變量即可,源碼如下:
import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Deque;
public class IntegerStack {
private Deque<Integer> data = new ArrayDeque<Integer>();
public void push(Integer element) {
data.addFirst(element);
}
public Integer pop() {
return data.removeFirst();
}
public Integer peek() {
return data.peekFirst();
}
public String toString() {
return data.toString();
}
public static void main(String[] args) {
IntegerStack stack = new IntegerStack();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
stack.push(i);
}
System.out.println(stack);
System.out.println("After pushing 5 elements: " + stack);
int m = stack.pop();
System.out.println("Popped element = " + m);
System.out.println("After popping 1 element : " + stack);
int n = stack.peek();
System.out.println("Peeked element = " + n);
System.out.println("After peeking 1 element : " + stack);
}
}
2.3 PriorityQueue
PriorityQueue 即優先隊列。優先隊列的作用是能保證每次取出的元素都是隊列中權值最小的(Java 的優先隊列每次取最小元素,C++ 的優先隊列每次取最大元素)。這裏牽涉到了大小關係,元素大小的評判可以通過元素本身的自然順序(natural ordering),也可以通過構造時傳入的比較器(Comparator,類似於C++的仿函數)。
- PriorityQueue 的數據結構基礎爲堆 (Heap),堆的本質就是一個數組。對於堆的說明,在海的味道的博文《java數據結構—-堆》中描述十分清晰,可在該博文中進行理解。
- PriorityQueue 的實現原理及源碼在CarpenterLee的博文《深入理解Java PriorityQueue》中描述清楚,可在該博文中進行學習。