java-基础-LinkedList剖析

 

一、源码解析
1、 LinkedList类定义
2、LinkedList数据结构原理
3、私有属性
4、构造方法
5、元素添加add()及原理
6、删除数据remove()
7、数据获取get()
8、数据复制clone()与toArray()
9、遍历数据:Iterator()
二、ListItr

 

 

一、源码解析

    1、 LinkedList类定义。

 

public class LinkedList<E>
     extends AbstractSequentialList<E>
     implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

 

LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
LinkedList 实现 List 接口,能对它进行队列操作。
LinkedList 实现 Deque 接口,即能将LinkedList当作双端队列使用。
LinkedList 实现了Cloneable接口,即覆盖了函数clone(),能克隆。
LinkedList 实现java.io.Serializable接口,这意味着LinkedList支持序列化,能通过序列化去传输。
LinkedList 是非同步的。

 

为什么要继承自AbstractSequentialList ?

AbstractSequentialList 实现了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)这些骨干性函数。降低了List接口的复杂度。这些接口都是随机访问List的,LinkedList是双向链表;既然它继承于AbstractSequentialList,就相当于已经实现了“get(int index)这些接口”。

此外,我们若需要通过AbstractSequentialList自己实现一个列表,只需要扩展此类,并提供 listIterator() 和 size() 方法的实现即可。若要实现不可修改的列表,则需要实现列表迭代器的 hasNext、next、hasPrevious、previous 和 index 方法即可。

 

LinkedList的类图关系:

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2、LinkedList数据结构原理

 

LinkedList底层的数据结构是基于双向循环链表的,且头结点中不存放数据,如下:

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既然是双向链表,那么必定存在一种数据结构——我们可以称之为节点,节点实例保存业务数据,前一个节点的位置信息和后一个节点位置信息,如下图所示:

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   3、私有属性

 LinkedList中之定义了两个属性:

 

1 private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);
2 private transient int size = 0;

 

header是双向链表的头节点,它是双向链表节点所对应的类Entry的实例。Entry中包含成员变量: previous, next, element。其中,previous是该节点的上一个节点,next是该节点的下一个节点,element是该节点所包含的值。 
  size是双向链表中节点实例的个数。

首先来了解节点类Entry类的代码。

 

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1 private static class Entry<E> {
 2    E element;
 3     Entry<E> next;
 4     Entry<E> previous;
 5 
 6     Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
 7         this.element = element;
 8         this.next = next;
 9         this.previous = previous;
10    }
11 }
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节点类很简单,element存放业务数据,previous与next分别存放前后节点的信息(在数据结构中我们通常称之为前后节点的指针)。

    LinkedList的构造方法:

 

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1 public LinkedList() {
2     header.next = header.previous = header;
3 }
4 public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
5     this();
6    addAll(c);
7 }
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4、构造方法

LinkedList提供了两个构造方法。

第一个构造方法不接受参数,将header实例的previous和next全部指向header实例(注意,这个是一个双向循环链表,如果不是循环链表,空链表的情况应该是header节点的前一节点和后一节点均为null),这样整个链表其实就只有header一个节点,用于表示一个空的链表。

 

执行完构造函数后,header实例自身形成一个闭环,如下图所示:

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第二个构造方法接收一个Collection参数c,调用第一个构造方法构造一个空的链表,之后通过addAll将c中的元素全部添加到链表中。

 

 5、元素添加

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 1 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
 2     return addAll(size, c);
 3 }
 4 // index参数指定collection中插入的第一个元素的位置
  5 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
 6     // 插入位置超过了链表的长度或小于0,报IndexOutOfBoundsException异常
  7     if (index < 0 || index > size)
 8         throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
  9                                                 ", Size: "+size);
10     Object[] a = c.toArray();
11    int numNew = a.length;
12    // 若需要插入的节点个数为0则返回false,表示没有插入元素
13     if (numNew==0)
14         return false;
15     modCount++;//否则,插入对象,链表修改次数加1
16     // 保存index处的节点。插入位置如果是size,则在头结点前面插入,否则在获取index处的节点插入
17     Entry<E> successor = (index==size ? header : entry(index));
18     // 获取前一个节点,插入时需要修改这个节点的next引用
19     Entry<E> predecessor = successor.previous;
20     // 按顺序将a数组中的第一个元素插入到index处,将之后的元素插在这个元素后面
21     for (int i=0; i<numNew; i++) {
22         // 结合Entry的构造方法,这条语句是插入操作,相当于C语言中链表中插入节点并修改指针
23         Entry<E> e = new Entry<E>((E)a[i], successor, predecessor);
24         // 插入节点后将前一节点的next指向当前节点,相当于修改前一节点的next指针
25         predecessor.next = e;
26         // 相当于C语言中成功插入元素后将指针向后移动一个位置以实现循环的功能
27         predecessor = e;
28   }
29     // 插入元素前index处的元素链接到插入的Collection的最后一个节点
30     successor.previous = predecessor;
31     // 修改size
32     size += numNew;
33     return true;
34 }
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构造方法中的调用了addAll(Collection<? extends E> c)方法,而在addAll(Collection<? extends E> c)方法中仅仅是将size当做index参数调用了addAll(int index,Collection<? extends E> c)方法。

 

 

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1 private Entry<E> entry(int index) {
 2         if (index < 0 || index >= size)
 3             throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
 4                                                 ", Size: "+size);
 5         Entry<E> e = header;
 6         // 根据这个判断决定从哪个方向遍历这个链表
 7         if (index < (size >> 1)) {
 8             for (int i = 0; i <= index; i++)
 9                 e = e.next;
10         } else {
11             // 可以通过header节点向前遍历,说明这个一个循环双向链表,header的previous指向链表的最后一个节点,这也验证了构造方法中对于header节点的前后节点均指向自己的解释
12             for (int i = size; i > index; i--)
13                 e = e.previous;
14        }
15         return e;
16     }
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下面说明双向链表添加元素的原理:

添加数据:add()

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     // 将元素(E)添加到LinkedList中
     public boolean add(E e) {
         // 将节点(节点数据是e)添加到表头(header)之前。
         // 即,将节点添加到双向链表的末端。
         addBefore(e, header);
         return true;
     }

     public void add(int index, E element) {
         addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
     }
    
    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
         Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
         newEntry.previous.next = newEntry;
         newEntry.next.previous = newEntry;
         size++;
         modCount++;
         return newEntry;
    }
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addBefore(E e,Entry<E> entry)方法是个私有方法,所以无法在外部程序中调用(当然,这是一般情况,你可以通过反射上面的还是能调用到的)。

addBefore(E e,Entry<E> entry)先通过Entry的构造方法创建e的节点newEntry(包含了将其下一个节点设置为entry,上一个节点设置为entry.previous的操作,相当于修改newEntry的“指针”),之后修改插入位置后newEntry的前一节点的next引用和后一节点的previous引用,使链表节点间的引用关系保持正确。之后修改和size大小和记录modCount,然后返回新插入的节点。

下面分解“添加第一个数据”的步骤:

第一步:初始化后LinkedList实例的情况:

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第二步:初始化一个预添加的Entry实例(newEntry)。

Entry newEntry = newEntry(e, entry, entry.previous);

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第三步:调整新加入节点和头结点(header)的前后指针。

newEntry.previous.next = newEntry;

newEntry.previous即header,newEntry.previous.next即header的next指向newEntry实例。在上图中应该是“4号线”指向newEntry。

newEntry.next.previous = newEntry;

newEntry.next即header,newEntry.next.previous即header的previous指向newEntry实例。在上图中应该是“3号线”指向newEntry。

调整后如下图所示:

图——加入第一个节点后LinkedList示意图

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下面分解“添加第二个数据”的步骤:

第一步:新建节点。

图——添加第二个节点

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第二步:调整新节点和头结点的前后指针信息。

图——调整前后指针信息

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添加后续数据情况和上述一致,LinkedList实例是没有容量限制的。

 

总结,addBefore(E e,Entry<E> entry)实现在entry之前插入由e构造的新节点。而add(E e)实现在header节点之前插入由e构造的新节点。为了便于理解,下面给出插入节点的示意图。

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 public void addFirst(E e) {
     addBefore(e, header.next);
 }

 public void addLast(E e) {
     addBefore(e, header);
 }
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 看上面的示意图,结合addBefore(E e,Entry<E> entry)方法,很容易理解addFrist(E e)只需实现在header元素的下一个元素之前插入,即示意图中的一号之前。addLast(E e)只需在实现在header节点前(因为是循环链表,所以header的前一个节点就是链表的最后一个节点)插入节点(插入后在2号节点之后)。

 

    清除数据clear()

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 1 public void clear() {
 2     Entry<E> e = header.next;
 3     // e可以理解为一个移动的“指针”,因为是循环链表,所以回到header的时候说明已经没有节点了
 4      while (e != header) {
 5        // 保留e的下一个节点的引用
 6         Entry<E> next = e.next;
 7         // 解除节点e对前后节点的引用
 8         e.next = e.previous = null;
 9         // 将节点e的内容置空
10         e.element = null;
11         // 将e移动到下一个节点
12         e = next;
13  }
14     // 将header构造成一个循环链表,同构造方法构造一个空的LinkedList
15     header.next = header.previous = header;
16     // 修改size
17     size = 0;
18     modCount++;
19 }
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   数据包含 contains(Object o)

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 public boolean contains(Object o) {
     return indexOf(o) != -1;
 }
 // 从前向后查找,返回“值为对象(o)的节点对应的索引”  不存在就返回-1 
 public int indexOf(Object o) {
      int index = 0;
      if (o==null) {
          for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
              if (e.element==null)
                  return index;
              index++;
         }
      } else {
         for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
             if (o.equals(e.element))
                 return index;
             index++;
        }
    }
     return -1;
 }
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indexOf(Object o)判断o链表中是否存在节点的element和o相等,若相等则返回该节点在链表中的索引位置,若不存在则放回-1。

contains(Object o)方法通过判断indexOf(Object o)方法返回的值是否是-1来判断链表中是否包含对象o。

 

6、删除数据remove()

几个remove方法最终都是调用了一个私有方法:remove(Entry<E> e),只是其他简单逻辑上的区别。下面分析remove(Entry<E> e)方法。

 

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 1 private E remove(Entry<E> e) {
 2     if (e == header)
 3         throw new NoSuchElementException();
 4     // 保留将被移除的节点e的内容
 5     E result = e.element;
 6    // 将前一节点的next引用赋值为e的下一节点
 7     e.previous.next = e.next;
 8    // 将e的下一节点的previous赋值为e的上一节点
 9     e.next.previous = e.previous;
10    // 上面两条语句的执行已经导致了无法在链表中访问到e节点,而下面解除了e节点对前后节点的引用
11    e.next = e.previous = null;
12   // 将被移除的节点的内容设为null
13   e.element = null;
14   // 修改size大小
15   size--;
16   modCount++;
17   // 返回移除节点e的内容
18   return result;
19 }
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由于删除了某一节点因此调整相应节点的前后指针信息,如下:

e.previous.next = e.next;//预删除节点的前一节点的后指针指向预删除节点的后一个节点。 

e.next.previous = e.previous;//预删除节点的后一节点的前指针指向预删除节点的前一个节点。 

清空预删除节点:

e.next = e.previous = null;

e.element = null;

交给gc完成资源回收,删除操作结束。

与ArrayList比较而言,LinkedList的删除动作不需要“移动”很多数据,从而效率更高。

 

7、数据获取get()

Get(int)方法的实现在remove(int)中已经涉及过了。首先判断位置信息是否合法(大于等于0,小于当前LinkedList实例的Size),然后遍历到具体位置,获得节点的业务数据(element)并返回。

注意:为了提高效率,需要根据获取的位置判断是从头还是从尾开始遍历。

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// 获取双向链表中指定位置的节点    
    private Entry<E> entry(int index) {    
        if (index < 0 || index >= size)    
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+    
                                                ", Size: "+size);    
        Entry<E> e = header;    
        // 获取index处的节点。    
        // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前先后查找;    
        // 否则,从后向前查找。    
        if (index < (size >> 1)) {    
            for (int i = 0; i <= index; i++)    
                e = e.next;    
        } else {    
            for (int i = size; i > index; i--)    
                e = e.previous;    
        }    
        return e;    
    }
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注意细节:位运算与直接做除法的区别。先将index与长度size的一半比较,如果index<size/2,就只从位置0往后遍历到位置index处,而如果index>size/2,就只从位置size往前遍历到位置index处。这样可以减少一部分不必要的遍历

 

8、数据复制clone()与toArray()

clone()

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 1 public Object clone() {
 2     LinkedList<E> clone = null;
 3     try {
 4         clone = (LinkedList<E>) super.clone();
 5     } catch (CloneNotSupportedException e) {
 6         throw new InternalError();
 7    }
 8     clone.header = new Entry<E>(null, null, null);
 9     clone.header.next = clone.header.previous = clone.header;
10     clone.size = 0;
11     clone.modCount = 0;
12     for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
13        clone.add(e.element);
14     return clone;
15 }
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 调用父类的clone()方法初始化对象链表clone,将clone构造成一个空的双向循环链表,之后将header的下一个节点开始将逐个节点添加到clone中。最后返回克隆的clone对象。

    toArray()

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1 public Object[] toArray() {
2     Object[] result = new Object[size];
3     int i = 0;
4     for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
5         result[i++] = e.element;
6     return result;
7 }
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创建大小和LinkedList相等的数组result,遍历链表,将每个节点的元素element复制到数组中,返回数组。

    toArray(T[] a)

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 1 public <T> T[] toArray(T[] a) {
 2     if (a.length < size)
 3         a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
 4                                a.getClass().getComponentType(), size);
 5     int i = 0;
 6     Object[] result = a;
 7     for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
 8         result[i++] = e.element;
 9     if (a.length > size)
10         a[size] = null;
11     return a;
12 }
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先判断出入的数组a的大小是否足够,若大小不够则拓展。这里用到了发射的方法,重新实例化了一个大小为size的数组。之后将数组a赋值给数组result,遍历链表向result中添加的元素。最后判断数组a的长度是否大于size,若大于则将size位置的内容设置为null。返回a。

    从代码中可以看出,数组a的length小于等于size时,a中所有元素被覆盖,被拓展来的空间存储的内容都是null;若数组a的length的length大于size,则0至size-1位置的内容被覆盖,size位置的元素被设置为null,size之后的元素不变。

    为什么不直接对数组a进行操作,要将a赋值给result数组之后对result数组进行操作?

 

9、遍历数据:Iterator()

    LinkedList的Iterator

    除了Entry,LinkedList还有一个内部类:ListItr。

    ListItr实现了ListIterator接口,可知它是一个迭代器,通过它可以遍历修改LinkedList。

    在LinkedList中提供了获取ListItr对象的方法:listIterator(int index)。

 

1 public ListIterator<E> listIterator(int index) {
2     return new ListItr(index);
3 }

 

该方法只是简单的返回了一个ListItr对象。

    LinkedList中还有通过集成获得的listIterator()方法,该方法只是调用了listIterator(int index)并且传入0。

二、ListItr

    下面详细分析ListItr。

 

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  1 private class ListItr implements ListIterator<E> {
  2 // 最近一次返回的节点,也是当前持有的节点
  3     private Entry<E> lastReturned = header;
  4     // 对下一个元素的引用
  5     private Entry<E> next;
  6     // 下一个节点的index
  7     private int nextIndex;
  8     private int expectedModCount = modCount;
  9     // 构造方法,接收一个index参数,返回一个ListItr对象
 10     ListItr(int index) {
 11         // 如果index小于0或大于size,抛出IndexOutOfBoundsException异常
 12         if (index < 0 || index > size)
 13         throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
 14                             ", Size: "+size);
 15         // 判断遍历方向
 16         if (index < (size >> 1)) {
 17         // next赋值为第一个节点
 18         next = header.next;
 19         // 获取指定位置的节点
 20         for (nextIndex=0; nextIndex<index; nextIndex++)
 21             next = next.next;
 22         } else {
 23 // else中的处理和if块中的处理一致,只是遍历方向不同
 24         next = header;
 25         for (nextIndex=size; nextIndex>index; nextIndex--)
 26             next = next.previous;
 27        }
 28    }
 29     // 根据nextIndex是否等于size判断时候还有下一个节点(也可以理解为是否遍历完了LinkedList)
 30     public boolean hasNext() {
 31         return nextIndex != size;
 32    }
 33     // 获取下一个元素
 34     public E next() {
 35        checkForComodification();
 36         // 如果nextIndex==size,则已经遍历完链表,即没有下一个节点了(实际上是有的,因为是循环链表,任何一个节点都会有上一个和下一个节点,这里的没有下一个节点只是说所有节点都已经遍历完了)
 37         if (nextIndex == size)
 38         throw new NoSuchElementException();
 39         // 设置最近一次返回的节点为next节点
 40         lastReturned = next;
 41         // 将next“向后移动一位”
 42         next = next.next;
 43         // index计数加1
 44         nextIndex++;
 45         // 返回lastReturned的元素
 46         return lastReturned.element;
 47    }
 48 
 49     public boolean hasPrevious() {
 50         return nextIndex != 0;
 51    }
 52     // 返回上一个节点,和next()方法相似
 53     public E previous() {
 54         if (nextIndex == 0)
 55         throw new NoSuchElementException();
 56 
 57         lastReturned = next = next.previous;
 58         nextIndex--;
 59        checkForComodification();
 60         return lastReturned.element;
 61    }
 62 
 63     public int nextIndex() {
 64         return nextIndex;
 65    }
 66 
 67     public int previousIndex() {
 68         return nextIndex-1;
 69    }
 70     // 移除当前Iterator持有的节点
 71     public void remove() {
 72            checkForComodification();
 73             Entry<E> lastNext = lastReturned.next;
 74             try {
 75                 LinkedList.this.remove(lastReturned);
 76             } catch (NoSuchElementException e) {
 77                 throw new IllegalStateException();
 78            }
 79         if (next==lastReturned)
 80                 next = lastNext;
 81             else
 82         nextIndex--;
 83         lastReturned = header;
 84         expectedModCount++;
 85    }
 86     // 修改当前节点的内容
 87     public void set(E e) {
 88         if (lastReturned == header)
 89         throw new IllegalStateException();
 90        checkForComodification();
 91         lastReturned.element = e;
 92    }
 93     // 在当前持有节点后面插入新节点
 94     public void add(E e) {
 95        checkForComodification();
 96         // 将最近一次返回节点修改为header
 97         lastReturned = header;
 98        addBefore(e, next);
 99         nextIndex++;
100         expectedModCount++;
101    }
102     // 判断expectedModCount和modCount是否一致,以确保通过ListItr的修改操作正确的反映在LinkedList中
103     final void checkForComodification() {
104         if (modCount != expectedModCount)
105         throw new ConcurrentModificationException();
106    }
107 }
java-基础-LinkedList剖析

 

下面是一个ListItr的使用实例。

 

java-基础-LinkedList剖析
 1 LinkedList<String> list = new LinkedList<String>();
 2         list.add("First");
 3         list.add("Second");
 4         list.add("Thrid");
 5        System.out.println(list);
 6         ListIterator<String> itr = list.listIterator();
 7         while (itr.hasNext()) {
 8            System.out.println(itr.next());
 9        }
10         try {
11             System.out.println(itr.next());// throw Exception
12         } catch (Exception e) {
13             // TODO: handle exception
14        }
15         itr = list.listIterator();
16        System.out.println(list);
17        System.out.println(itr.next());
18         itr.add("new node1");
19        System.out.println(list);
20         itr.add("new node2");
21        System.out.println(list);
22        System.out.println(itr.next());
23         itr.set("modify node");
24        System.out.println(list);
25        itr.remove();
26         System.out.println(list);
java-基础-LinkedList剖析

 

java-基础-LinkedList剖析
 1 结果:
 2 [First, Second, Thrid]
 3 First
 4 Second
 5 Thrid
 6 [First, Second, Thrid]
 7 First
 8 [First, new node1, Second, Thrid]
 9 [First, new node1, new node2, Second, Thrid]
10 Second
11 [First, new node1, new node2, modify node, Thrid]
12 [First, new node1, new node2, Thrid]
java-基础-LinkedList剖析

LinkedList还有一个提供Iterator的方法:descendingIterator()。该方法返回一个DescendingIterator对象。DescendingIterator是LinkedList的一个内部类。

 

1 public Iterator<E> descendingIterator() {
2    return new DescendingIterator();
3 }

 

下面分析详细分析DescendingIterator类。

 

java-基础-LinkedList剖析
 1 private class DescendingIterator implements Iterator {
 2    // 获取ListItr对象
 3 final ListItr itr = new ListItr(size());
 4 // hasNext其实是调用了itr的hasPrevious方法
 5    public boolean hasNext() {
 6        return itr.hasPrevious();
 7    }
 8 // next()其实是调用了itr的previous方法
 9    public E next() {
10        return itr.previous();
11    }
12    public void remove() {
13        itr.remove();
14    }
15 }
java-基础-LinkedList剖析

 

从类名和上面的代码可以看出这是一个反向的Iterator,代码很简单,都是调用的ListItr类中的方法。

参考:

Java集合类--LinkedList  

java源码分析之LinkedList

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