Java数据结构漫谈-LinkedList

同样是List的数据结构,LinkedList是使用了前后指针,指明节点的方式来表示链表的,这与之前介绍的ArrayList

http://www.cnblogs.com/yakovchang/p/java_arraylist.html

中使用数组的方式是截然不同的。LinkedList中的存储节点被称作节点(Node),一个节点的定义如下所示:

    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;
}
}

这是LinkedList的一个内部类,不需要使用LinkedList的程序员关心。

LinkedList正是通过next,prev这两个指针来串联起整个List的。

注意:Node节点在初始化的时候同时指明了初始化的节点的前后节点是什么,所以在之后的代码中,往往没有明显的写明新的节点的前后指针指向了哪里。

在LinkedList本身中仅仅记录了List的开始和结束节点,当然,也记录了size:

    transient int size = 0;

    transient Node<E> first;

    transient Node<E> last;

在开始节点上添加一个节点,需要先判断是否为空,如果为空,则直接first和last都指向这个节点,否则就需要把原来的first的prev指向新节点,把新节点作为新的first节点,时间复杂度是o(1):

    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++;
}

在结束节点上添加一个新节点,需要先判断是否为空,如果为空,就直接把last和firs都指向这个节点,否则就把原来的last的next指向新节点,把新节点作为新的last节点,时间复杂度是o(1):

    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++;
}

在一个非空节点之前加入一个节点,如果这个非空节点的prev是null,那么说明非空节点是first节点,直接让first节点指向新节点,否则就让这个非空节点的next指向新的节点,时间复杂度是o(1):

    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++;
}

删除一个非空的first节点,是把指向这个节点的指针都移除,同时把first指向他的next节点,如果next节点也为空,说明这个节点是List中的最后一个节点,那么first和last都指向空,时间复杂度是o(1):

    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;
}

同样的,删除一个非空的last节点,也是把指向这个节点的指针都移除,同时把last指向他的prev节点,如果prev节点为空,说明这个节点是List中的最后一个节点,那么first和last都指向空,时间复杂度是o(1):

    private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
final E element = l.item;
final Node<E> prev = l.prev;
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
last = prev;
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}

删除一个非空节点,则是具有较多的判断条件,主要是取出来当前节点的prev和next,让他们之间建立连接,当然还需要判断是否为空,如果prev是空说明是第一个节点,如果next是空说明是最后一个节点,如果两者为空,说明List中只有这一个节点,这个操作的时间复杂度是o(1):

    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;
}

获取first,last,删除first,last,添加first,last,都是基于上述的操作进行的,所以它们的时间复杂度也都是o(1):

    public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
} public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
} public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
} public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
} public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
} public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}

以上说的都是时间复杂度较低的操作,但是下面会有时间复杂度较高的操作,这也正是LinkedList被吐槽的地方。

查找一个对象的index是多少,就是通过遍历对比的方式进行的,其时间复杂度是o(n):

    public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}

而通过index去确定对应的节点,也是使用了便利的办法,当然,这里采取了一个巧妙的方式是判断index距离头部更近,还是尾部更近,然后选择从哪里开始进行遍历,其时间复杂度也是o(n):

    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;
}
}

所有使用了上面两个函数的地方,其时间复杂度都是o(n)。

事实上,由于LinkedList的特殊性,LinkedList本身支持了很多其它的数据结构特性:

实现队列操作:

    public E peek() {//查看第一个,但不删除
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
} public E element() {//查看第一个,但不删除
return getFirst();
} public E poll() {//获取第一个,并且删除
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
} public E remove() {//获取第一个并且删除
return removeFirst();
} public boolean offer(E e) {//在队列尾部添加一个
return add(e);
}

实现双向队列操作:

    public boolean offerFirst(E e) {//在队列头部添加一个
addFirst(e);
return true;
} public boolean offerLast(E e) {//在队列尾部添加一个
addLast(e);
return true;
} public E peekFirst() {//查看队列头部但不删除
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
} public E peekLast() {//查看队列尾部但不删除
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
} public E pollFirst() {//获取并且删除队列头部元素
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
} public E pollLast() {//获取并且删除队列尾部元素
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}

实现栈的操作:

    public E poll() {//查看栈顶但不删除
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
} public void push(E e) {//压栈
addFirst(e);
} public E pop() {//出栈
return removeFirst();
}

实现移除第一次发生和最后一次发生:

    public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {//移除第一次出现
return remove(o);
} public boolean removeLastOccurrence(Object o) {//移除最后一次出现
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}

LinkedList是很多数据结构的基础,在之后的很多数据结构里面还会看到。

LinkedList最大的好处在于头尾和已知节点的插入和删除时间复杂度都是o(1)。

但是涉及到先确定位置再操作的情况,则时间复杂度会变为o(n)。

当然,每个节点都需要保留prev和next指针也是经常被吐槽是浪费了空间。

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