Queue 相關數據結構的原理與實現 (LinkedList, ArrayDeque, PriorityQueue)

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

: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:
Queue接口相關的部分UML類圖

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)。

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