Java實習生面試複習(四)：LinkedList

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LinkedList 適用於集合元素先入先出和先入後出的場景，在隊列中被頻繁使用。下面我們就來簡單瞭解一下它，並看看它跟常用的ArrayList的區別。

LinkedList結構分析

LinkedList 底層數據結構是一個雙向鏈表，整體結構如下圖所示：

我們看一下Node節點的源碼實現：

    private static class Node<E> {
        E item;// 節點值
        Node<E> next; // 指向的下一個節點
        Node<E> prev; // 指向的前一個節點

        // 初始化參數順序分別是：前一個節點、本身、後一個節點
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

從上圖和Node節點的源碼中我們可以看出，鏈表中的每個節點都可以向前或者向後遍歷，我們有幾個概念如下：

• 鏈表每個節點我們叫做 Node，prev 屬性，代表前一個節點的位置，next 屬性，代表後一個節點的位置；
• first 是雙向鏈表的頭節點，它的前一個節點是 null。
• last 是雙向鏈表的尾節點，它的後一個節點是 null；
• 當鏈表中沒有數據時，first 和 last 是同一個節點，前後指向都是 null；
• 鏈表理論上是沒有大小限制的。

雖然在添加元素的時候沒有“是否超過最大容量”這種判斷，但是 LinkedList 實際大小用的是 int 類型，這也說明了LinkedList 不能超過 Integer 的最大值，不然會溢出。

從底層結構上看，我們可以看出LinkedList和ArrayList是完全不一樣的，一個是數組實現，一個是鏈表實現。

新增、刪除、查詢操作

追加（新增）

追加節點時，我們可以選擇追加到鏈表頭部，還是追加到鏈表尾部，add 方法默認是從尾部開始追加，addFirst 方法見名知其意，就是從頭部開始追加，我們分別來看下兩種不同的追加方式：

// 從尾部開始追加節點
void linkLast(E e) {
    // 把尾節點數據暫存
    final Node<E> l = last;
    // 新建新的節點，l 是新節點的前一個節點，e 表示當前新增節點，當前新增節點後一個節點是 null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 新建節點追加到尾部
    last = newNode;
    //如果鏈表爲空（l 是尾節點，尾節點爲空，鏈表即空），頭部和尾部是同一個節點，都是新建的節點
    if (l == null)
        first = newNode;
    //否則把前尾節點的下一個節點，指向當前尾節點。
    else
        l.next = newNode;
    //大小和版本更改
    size++;
    modCount++;
}

// 從頭部追加
void linkFirst(E e) {
    // 頭節點賦值給臨時變量
    final Node<E> f = first;
    // 新建節點，前一個節點指向null，e 是新建節點，f 是新建節點的下一個節點，目前值是頭節點的值
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    // 新建節點成爲頭節點
    first = newNode;
    // 頭節點爲空，就是鏈表爲空，頭尾節點是一個節點
    if (f == null)
        last = newNode;
    //上一個頭節點的前一個節點指向當前節點
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

從源碼上來看，頭部追加節點和尾部追加節點非常類似，只是前者是移動頭節點的 prev 指向，後者是移動尾節點的 next 指向。都只需要簡單地把指向位置修改下即可，就偷懶不畫圖了~

刪除

同理，刪除也有從頭部刪除和尾部刪除，且刪除操作會把節點的值，前後指向節點都置爲 null，幫助 GC 進行回收。
這裏就不一一例舉了，就看下從尾部刪除的吧，頭部刪除其實差不多。

    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        // l在這裏就是last節點
        final E element = l.item;
        final Node<E> prev = l.prev;
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        last = prev;
        // 前一個節點爲空，就是鏈表爲空，頭尾節點是一個節點
        if (prev == null)
            first = null;
        else // 否則把前節點的下一個節點，指向null。
            prev.next = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

到這裏，我們已經可以看出，鏈表結構的節點新增、刪除都非常簡單，僅僅把前後節點的指向修改下，並不像ArrayList可能涉及到數組的複製，這也是爲什麼說LinkedList適合頻繁的增刪。

查詢

我們都知道，其實鏈表查詢某一個節點是比較慢的，因爲它需要挨個循環查找纔行，我們看看 LinkedList是如何尋找節點的

// 根據鏈表索引位置查詢節點
Node<E> node(int index) {
    // 如果 index 處於隊列的前半部分，從頭開始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        // 直到 for 循環到 index 的前一個 node 停止
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {// 如果 index 處於隊列的後半部分，從尾開始找
        Node<E> x = last;
        // 直到 for 循環到 index 的後一個 node 停止
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

我們可以看出，LinkedList並沒有死板的採用從頭循環到尾的做法，因爲是雙向鏈表，所以可以從頭或者從尾開始查詢，利用這個特性，可以採取簡單二分法，首先看看index是在鏈表的前半部分，還是後半部分。如果是前半部分，就從頭開始尋找，反之亦然。通過這種方式，使循環的次數至少降低了一半，提高了查找的性能，這種思想值得我們借鑑。

注意：LinkedList 實現了 Queue 接口，在新增、刪除、查詢等方面增加了很多新的方法，這些方法在平時特別容易混淆，在鏈表爲空的情況下，返回值也不太一樣，我們列一個表格，方便大家記錄：

方法含義	返回異常	返回特殊值	底層實現
新增	add(e)	offer(e)	底層實現相同
刪除	remove()	poll(e)	鏈表爲空時，remove 會拋出異常，poll 返回 null
查找	element()	peek()	鏈表爲空時，element 會拋出異常，peek 返回 null

迭代器

LinkedList的迭代器並不是我們常使用的Iterator 接口，因爲要實現雙向的迭代訪問，而Iterator 只支持從頭到尾的訪問。Java 新增了一個迭代接口繼承Iterator，叫做：ListIterator，這個接口提供了向前和向後的迭代方法，如下所示：

迭代順序	方法
從尾到頭迭代方法	hasPrevious、previous、previousIndex
從頭到尾迭代方法	hasNext、next、nextIndex

這裏同樣在循環刪除元素時，也推薦通過迭代器進行刪除

總結

LinkedList適用於要求有順序、並且會按照順序進行迭代的場景，主要是依賴於底層的鏈表結構。

看到這，思考下如下問題：

• ArrayList 和 LinkedList 有何不同？
• ArrayList 和 LinkedList 應用場景有何不同？
• 你能描述下雙向鏈表麼，以及它的新增和刪除？