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揭秘Java LinkedList：深度剖析、实战应用与设计灵感

时间：2024-05-24 18:26:49浏览次数：32  
标签：数据结构 Java LinkedList 元素 揭秘 链表 列表 节点

1. 概述

Java的LinkedList是java.util包下的一个类，它实现了List接口，并且提供了基于双向链表的数据结构。这意味着LinkedList中的元素可以按照它们的插入顺序进行有序的集合。由于其双向链表的特性，LinkedList在插入、删除元素时具有优秀的性能表现，而在访问元素时则相对较慢（尤其是访问中间元素时）。

2. 用途

LinkedList 在 Java 编程中是一个非常有用的数据结构，它具有基于链表实现的特性，使得它在某些应用场景下特别高效。以下是 LinkedList 的一些主要用途：

  1. 动态数据集合：
    • LinkedList 可以作为一个动态的数据集合使用，它可以动态地增长和缩小。当你需要存储一个可变数量的元素，并且这些元素的数量在程序运行时可能会改变时，LinkedList 是一个很好的选择。
  2. 栈（Stack）实现：
    • 由于 LinkedList 提供了从列表开头添加和删除元素的方法（如 addFirst(E e) 和 removeFirst()），它可以很容易地实现栈的数据结构。栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，而 LinkedList 的这些操作在常数时间内完成。
  3. 队列（Queue）实现：
    • 虽然 LinkedList 本身没有直接实现队列接口（如 Queue），但它可以通过使用 addLast(E e) 和 removeFirst() 或 poll() 方法来模拟队列的行为。队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构。
  4. 双端队列（Deque）实现：
    • LinkedList 直接实现了 Deque 接口，这意味着它支持在列表的两端添加和删除元素。双端队列是一种具有队列和栈的性质的数据结构，可以在两端进行插入和删除操作。
  5. 大数据集操作：
    • 对于非常大的数据集，如果内存使用是一个考虑因素，LinkedList 可能比 ArrayList 更有效，因为 LinkedList 的节点是单独分配的，并且只在需要时才创建。然而，请注意，由于链表结构，索引访问可能会比 ArrayList 慢。
  6. 算法和数据结构实现：
    • 在算法和数据结构实现中，LinkedList 经常被用作构建更复杂的数据结构或算法的基础，如链表排序算法、图算法等。
  7. 频繁的元素插入和删除：
    • 如果你需要在列表的开头或结尾频繁地插入或删除元素，LinkedList 是一个很好的选择，因为这些操作在 LinkedList 中是常数时间的。相比之下，在 ArrayList 中进行这些操作可能需要移动大量元素，因此效率较低。
  8. 内存效率：
    • 在某些情况下，LinkedList 可能比 ArrayList 更节省内存，特别是当列表中的元素是大型对象时。因为 LinkedList 的节点是单独分配的，所以它可以更有效地管理内存使用。然而，这也可能导致更高的内存碎片。

总之，LinkedList 是一个灵活且功能强大的数据结构，适用于各种应用场景，特别是那些需要频繁地在列表的开头或结尾进行插入和删除操作的应用场景。

3. 数据结构

  • LinkedList的数据结构是双向链表。在LinkedList中，每个元素都是一个节点，每个节点包含三个部分：存储的数据项、指向前一个节点的引用和指向后一个节点的引用。

  • 链表是一种动态数据结构，由一系列节点组成，每个节点包含数据部分和指向列表中下一个节点的引用。与数组不同，链表没有将元素存储在连续的空间中，元素存储在单独的结点中，然后通过引用将结点连接起来了。因此，在任意位置插入或者删除元素时，不需要搬移元素，效率比较高。

4. 底层实现原理

4.1 工作原理

LinkedList是Java集合框架中的一个重要部分，它实现了List接口，并且是以双向链表作为其内部数据结构的。理解LinkedList的工作原理，关键在于理解其内部的双向链表结构以及基于此结构上的操作。

4.1.1 双向链表结构
  • LinkedList的每个元素都被封装在一个内部节点（Node）中。这个节点不仅包含了元素的数据（即item），还包含了指向前一个节点和后一个节点的指针（prev和next）。在LinkedList的头部和尾部，这两个指针可能是null，表示没有前一个或后一个节点。
4.1.2 操作原理
  • 插入操作
    • 在链表头部插入：新节点的prev指针设为null，next指针指向原头部节点，然后将原头部节点的prev指针指向新节点，并更新头部节点为新节点。
    • 在链表尾部插入：新节点的next指针设为null，prev指针指向原尾部节点，然后将原尾部节点的next指针指向新节点，并更新尾部节点为新节点。
    • 在指定位置插入：首先找到指定位置的前一个节点，然后更新新节点的prev和next指针以及前一个节点和下一个节点的指针，以实现插入。
  • 删除操作
    • 删除头部节点：将原头部节点的下一个节点设为新的头部节点，并更新其prev指针为null。
    • 删除尾部节点：将原尾部节点的上一个节点的next指针设为null，并更新尾部节点为这个上一个节点。
    • 删除指定位置的节点：首先找到指定位置的前一个节点和下一个节点，然后更新这两个节点的指针，跳过要删除的节点。
  • 遍历操作
    • LinkedList支持从头至尾和从尾至头的双向遍历。从头至尾遍历可以通过从头节点开始，沿着next指针逐个访问节点来实现；从尾至头遍历则可以从尾节点开始，沿着prev指针逐个访问节点。
4.1.3 结论

LinkedList的工作原理基于其内部的双向链表结构。通过合理地操作节点的指针，LinkedList实现了高效的插入和删除操作，同时也支持双向遍历。然而，由于访问元素需要遍历链表，所以访问操作相对较慢。在实际应用中，需要根据具体需求来选择使用LinkedList还是其他数据结构。

4.2 源码分析

Java的LinkedList类是一个基于双向链表的实现，提供了对列表的插入、删除、搜索等操作。下面我们将对其核心部分的源码进行简要的分析。

4.2.1 节点（Node）类

LinkedList内部定义了一个静态内部类Node来表示链表的节点。每个节点包含三个元素：数据项item、指向前一个节点的指针prev和指向后一个节点的指针next。

private static class Node<E> {  
    E item;  
    Node<E> next;  
    Node<E> prev;  
  
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {  
        this.item = element;  
        this.next = next;  
        this.prev = prev;  
    }  
}
4.2.2 构造函数

LinkedList有多个构造函数，但最基本的构造函数是无参的，它只是简单地初始化size为0，first和last（分别表示链表的第一个和最后一个节点）为null。

public LinkedList() {  
}
4.2.3 添加元素

添加元素到链表通常有三种方法：在链表头部添加、在链表尾部添加和在指定位置添加。

  • 在头部添加
    • addFirst(E e)和add(E e)（在链表为空时）方法都是在头部添加元素。
public void addFirst(E e) {  
    linkFirst(e);  
}  
  
private void linkFirst(E e) {  
    final Node<E> f = first;  
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);  
    first = newNode;  
    if (f == null)  
        last = newNode;  
    else  
        f.prev = newNode;  
    size++;  
    modCount++;  
}
  • 在尾部添加
    • addLast(E e)方法是在链表尾部添加元素。
public void addLast(E e) {  
    linkLast(e);  
}  
  
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++;  
}
4.2.4 删除元素

删除元素通常也有多种方法：删除头部元素、删除尾部元素和删除指定位置的元素。

  • 删除头部元素
    • removeFirst()方法用于删除并返回头部元素。
public E removeFirst() {  
    final Node<E> f = first;  
    if (f == null)  
        throw new NoSuchElementException();  
    return unlinkFirst(f);  
}  
  
private E unlinkFirst(Node<E> f) {  
    // assert f == first && f != null;  
    final E element = f.item;  
    final Node<E> next = f.next;  
    f.item = null;  
    f.next = null; // help GC  
    first = next;  
    if (next == null)  
        last = null;  
    else  
        next.prev = null;  
    size--;  
    modCount++;  
    return element;  
}
4.2.5 遍历元素

LinkedList 提供了迭代器（Iterator）来遍历元素，包括从头至尾和从尾至头的遍历方法。内部还提供了 listIterator(int index) 方法来从指定位置开始遍历。

5. 优缺点

5.1 优点

LinkedList 在 Java 中作为 List 接口的一个实现，相比于其他基于数组的列表（如 ArrayList），有其独特的优点。以下是 LinkedList 的一些主要优点：

  1. 动态大小：
    • LinkedList 是基于链表的，因此它可以动态地增长和缩小，而不需要像数组那样预先分配或复制整个数据结构。这使得它在处理未知数量或可变数量的元素时非常有效。
  2. 高效的插入和删除：
    • 在链表的中间位置插入或删除元素时，LinkedList 通常比基于数组的列表更高效。因为链表中的每个元素（节点）都包含指向下一个元素的引用，所以插入或删除操作只需要更新相邻节点的引用，而不需要移动大量数据。
  3. 低内存开销（理论上）：
    • 理论上，链表数据结构本身通常比数组数据结构具有更低的内存开销，因为链表节点可以单独分配在堆内存中，而不需要像数组那样分配连续的内存块。但是，在 Java 中，由于垃圾收集和其他因素，这种差异可能并不明显。
  4. 双向遍历：
    • LinkedList 实现了双向链表，这意味着可以向前或向后遍历链表。这在某些算法或场景中可能非常有用，例如实现队列（使用 offerFirst() 和 pollLast() 方法）或栈（使用 push(E e) 和 pop() 方法）时。
  5. 灵活性：
    • LinkedList 提供了许多操作链表的方法，包括在列表的开头或结尾插入元素、在指定位置插入或删除元素、获取列表的开头或结尾元素等。这使得 LinkedList 非常灵活，可以适应各种需求。

需要注意的是，尽管 LinkedList 在某些场景下具有优势，但在其他场景下（如随机访问元素或需要频繁遍历整个列表时），基于数组的列表（如 ArrayList）可能更加高效。因此，在选择使用哪种列表实现时，应根据具体需求进行权衡。

5.2 缺点

LinkedList 在 Java 中虽然具有许多优点，但也存在一些缺点，这些缺点在某些使用场景下可能会成为限制因素。以下是 LinkedList 的一些主要缺点：

  1. 空间开销：
    • LinkedList 中的每个元素都需要额外的空间来存储对前一个和后一个元素的引用，这增加了存储成本。相比之下，基于数组的列表（如 ArrayList）只需要存储元素本身和可能的一些额外开销（如数组长度）。
  2. 随机访问性能差：
    • 在 LinkedList 中，获取指定位置的元素需要从头或尾开始遍历链表，直到找到该位置的元素。这种线性查找的时间复杂度为 O(n)，其中 n 是链表的大小。而在基于数组的列表中，可以直接通过索引访问元素，时间复杂度为 O(1)。因此，当需要频繁地随机访问元素时，LinkedList 的性能较差。
  3. 内存碎片化：
    • 由于 LinkedList 的节点是单独分配的，这可能导致内存碎片化。当链表中的节点被频繁地创建和销毁时，可能会产生许多小的内存块，这些内存块可能无法被有效地利用，从而导致内存使用效率降低。
  4. 缓存不友好：
    • 由于链表结构不保证元素在内存中的连续性，因此遍历链表时可能会产生缓存未命中的情况。相比之下，基于数组的列表在遍历时可以更有效地利用 CPU 缓存，因为数组元素在内存中是连续存储的。缓存未命中会导致 CPU 需要从主存中加载数据，这会增加访问延迟并降低性能。
  5. 线程安全性：
    • LinkedList 本身不是线程安全的。在多线程环境中，如果没有适当的同步机制，对 LinkedList 的并发访问可能会导致数据不一致或其他并发问题。虽然可以使用外部同步机制（如 Collections.synchronizedList()）来确保线程安全，但这会增加额外的开销并降低性能。

需要注意的是，这些缺点并不是绝对的，而是相对于其他数据结构（如基于数组的列表）而言的。在选择使用哪种数据结构时，应根据具体需求和应用场景进行权衡。在某些情况下，LinkedList 的优点可能会超过其缺点，成为更合适的选择。

6. 注意事项

  1. 数据正确性：确保链表中的每个节点都包含正确的数据。由于LinkedList是基于节点的数据结构，每个节点存储了数据以及指向下一个节点的引用，因此需要保证数据的正确性和完整性。
  2. 指针正确性：每个节点都应该有正确的指针指向下一个节点。在LinkedList中，节点之间的连接是通过指针实现的，如果指针出错，可能导致链表断裂，从而丢失数据或造成错误。
  3. 内存管理：在删除链表中的节点时，要注意释放节点占用的内存，防止内存泄露。LinkedList的节点是在堆上动态分配的，因此需要显式释放不再使用的节点内存。
  4. 插入和删除操作：由于LinkedList底层是双向链表结构，因此在任意位置插入或删除元素时效率较高，时间复杂度为O(1)。这使得LinkedList适合频繁进行插入和删除操作的场景。
  5. 随机访问：LinkedList没有实现RandomAccess接口，因此不支持高效的随机访问。如果需要频繁地访问链表中的元素，应该避免使用LinkedList，或者尽量减少随机访问的频率。
  6. 线程安全：LinkedList不是线程安全的。如果在多线程环境中使用LinkedList，必须采取适当的同步措施，或者考虑使用线程安全的替代品，如Collections.synchronizedList等方法来包装LinkedList。
  7. 动态扩容能力：LinkedList具有动态扩容的能力，可以随着元素的增加自动扩展容量，不需要像数组那样预先分配固定大小的空间。
  8. 多功能接口：除了实现List接口外，LinkedList还实现了Deque接口，支持队列的操作，如addFirst、addLast等，这使得LinkedList可以用作栈和队列的实现。

综上所述，在使用LinkedList时，需要注意数据和指针的正确性，合理管理内存，利用其高效的插入和删除特性，同时避免频繁的随机访问，并且在多线程环境下采取同步措施。

7. 常用操作

  1. 添加元素
    • add(E e): 将指定元素添加到列表的末尾。
    • add(int index, E element): 在列表的指定位置插入指定元素。
    • addFirst(E e): 将指定元素插入此列表的开头。
    • addLast(E e): 将指定元素添加到此列表的末尾。
    • addAll(Collection<? extends E> c): 将指定集合中的所有元素添加到此列表的末尾，按照指定集合的迭代器所返回的顺序添加。
    • addAll(int index, Collection<? extends E> c): 从指定的位置开始，将指定集合中的所有元素插入到此列表中。
  2. 移除元素
    • remove(int index): 移除列表中指定位置的元素。
    • remove(Object o): 移除列表中首次出现的指定元素（如果存在）。
    • removeFirst(): 移除并返回此列表的第一个元素。
    • removeFirstOccurrence(Object o): 从此列表中移除第一次出现的指定元素（如果存在）。
    • removeLast(): 移除并返回此列表的最后一个元素。
    • removeLastOccurrence(Object o): 从此列表中移除最后一次出现的指定元素（如果存在）。
    • clear(): 移除列表中的所有元素。
  3. 查找元素
    • get(int index): 返回列表中指定位置的元素。
    • getFirst(): 返回此列表的第一个元素。
    • getLast(): 返回此列表的最后一个元素。
    • indexOf(Object o): 返回此列表中首次出现指定元素的索引，如果列表不包含此元素，则返回 -1。
    • lastIndexOf(Object o): 返回此列表中最后出现指定元素的索引，如果列表不包含此元素，则返回 -1。
    • contains(Object o): 如果列表包含指定的元素，则返回 true。
  4. 修改元素
    • set(int index, E element): 用指定元素替换列表中指定位置的元素。
  5. 列表迭代
    • listIterator(): 返回列表中的列表迭代器（按列表的迭代顺序）。
    • listIterator(int index): 返回列表中从指定位置开始的列表迭代器。
    • iterator(): 返回在此列表元素上进行迭代的迭代器。
  6. 其他操作
    • size(): 返回列表中的元素数量。
    • isEmpty(): 如果列表不包含元素，则返回 true。
    • descendingIterator(): 返回在此列表元素的逆序上迭代的迭代器。
    • descendingListIterator(): 返回按降序在此列表的列表迭代器（从末尾到开头）。
    • toArray(): 返回一个包含列表中所有元素的数组。
    • toArray(T[] a): 返回一个包含列表中所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的类型。

这些操作使得 LinkedList 成为了一个灵活且功能强大的数据结构，适用于需要频繁进行插入和删除操作的场景。

8. 总结

LinkedList 作为 Java 集合框架中的一部分，提供了基于链表的数据结构实现。它的主要优点在于能够高效地处理在列表头尾插入和删除元素的操作，同时其动态增长的能力使其在处理未知大小或可变大小的列表时非常灵活。然而，LinkedList 在随机访问元素方面性能较差，因为其需要从头或尾开始遍历链表以找到指定位置的元素，这一点与基于数组的列表（如 ArrayList）相比存在明显不足。

此外，LinkedList 的每个元素都需要额外的空间来存储指向前一个和后一个元素的引用，这增加了其空间开销。在多线程环境中使用时，还需注意 LinkedList 不是线程安全的，需要额外的同步机制来确保数据一致性。

综上所述，LinkedList 在需要频繁在列表头尾进行插入和删除操作，或者需要动态增长列表大小的场景中表现出色。然而，在需要频繁进行随机访问元素或者对内存使用有严格要求的场景中，可能需要考虑其他数据结构，如基于数组的列表（ArrayList）。在选择使用 LinkedList 时，应根据具体的应用场景和需求进行权衡，以确保选择最适合的数据结构。

标签：数据结构,Java,LinkedList,元素,揭秘,链表,列表,节点
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