Java基础汇总（十四）——LinkedList，Queue

╰半橙微兮° 2024-04-06 14:11 39阅读 0赞

**一、LinkedList**

**1.定义**

**LinkedList：List接口链表的实现**

*  **LinkedList是双向链表**
 *  **基于链表实现的方式使得LinkedList在插入和删除时更优于ArrayList**
 *  **LinkedList随机访问逊色于ArrayList**
 *  LinkedList实现所有可选的列表操作
 *  **允许所有的元素包括null**
 *  LinkedList实现 Deque 接口，为 add、poll 提供先进先出队列操作，以及其他堆栈和双端队列操作
 *  **与ArrayList一样此实现不是同步的**

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

**从LinkedList定义代码中可以看出：**

*  **LinkedList继承AbstractSequentialList**
 *  **实现List、Deque、Cloneable、Serializable接口**
 *  **AbstractSequentialList提供了 List 接口的骨干实现，从而最大限度地减少了实现受“连续访问”数据存储（如链接列表）支持的此接口所需的工作,从而以减少实现List接口的复杂度（？？？求解答）**
 *  **Deque一个线性 collection，支持在两端插入和移除元素，定义了双端队列的操作**

**2.属性**

**在LinkedList中提供了两个基本属性：**

*  **size（private transient Entry header = new Entry(null, null, null)），size表示的LinkedList的大小**
 *  **header（private transient Entry header = new Entry(null, null, null)），header表示链表的表头，Entry为节点对象**

Entry对象源代码：

private static class Entry<E> {
        E element;        //元素节点
        Entry<E> next;    //下一个元素
        Entry<E> previous;  //上一个元素
    
        Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
            this.element = element;
            this.next = next;
            this.previous = previous;
        }
    }
      //Entry为LinkedList的内部类，它定义了存储的元素。
    //还定义了该元素的前一个元素、后一个元素，这是典型的双向链表定义方式。

**3.构造方法**

**LinkedList提供了两个构造方法：**

*  **LinkedList()：构造一个空列表（里面没有任何元素，仅仅只是将header节点的前一个元素、后一个元素都指向自身）**
 *  **LinkedList(Collection<? extends E> c)：构造一个包含指定 collection 中的元素的列表，这些元素按其 collection 的迭代器返回的顺序排列。该构造函数首先会调用LinkedList()，构造一个空列表，然后调用了addAll()方法将Collection中的所有元素添加到列表中**

/**
         *  构造一个空列表。
         */
        public LinkedList() {
            header.next = header.previous = header;
        }
        
        /**
         *  构造一个包含指定 collection 中的元素的列表，
            这些元素按其 collection 的迭代器返回的顺序排列。
         */
        public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
            this();
            addAll(c);
        }
    
    
    /**
         *  添加指定 collection 中的所有元素到此列表的结尾，
            顺序是指定 collection 的迭代器返回这些元素的顺序。
         */
        public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
            return addAll(size, c);
        }
        
    /**
     * 将指定 collection 中的所有元素从指定位置开始插入此列表。
        其中index表示在其中插入指定collection中第一个元素的索引
     */
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        //若插入的位置小于0或者大于链表长度，
        //则抛出IndexOutOfBoundsException异常
        if (index < 0 || index > size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;    //插入元素的个数
        //若插入的元素为空，则返回false
        if (numNew == 0)
            return false;
        //modCount:在AbstractList中定义的，表示从结构上修改列表的次数
        modCount++;
        //获取插入位置的节点，若插入的位置在size处，则是头节点，否则获取index位置处的节点
        Entry<E> successor = (index == size ? header : entry(index));
        //插入位置的前一个节点，在插入过程中需要修改该节点的next引用：指向插入的节点元素
        Entry<E> predecessor = successor.previous;
        //执行插入动作
        for (int i = 0; i < numNew; i++) {
            //构造一个节点e，这里已经执行了插入节点动作同时修改了相邻节点的指向引用
            //
            Entry<E> e = new Entry<E>((E) a[i], successor, predecessor);
            //将插入位置前一个节点的下一个元素引用指向当前元素
            predecessor.next = e;
            //修改插入位置的前一个节点，
            //这样做的目的是将插入位置右移一位，
            //保证后续的元素是插在该元素的后面，确保这些元素的顺序
            predecessor = e;
        }
        successor.previous = predecessor;
        //修改容量大小
        size += numNew;
        return true;
    }
      
    
            //在addAll()方法中，涉及到了两个方法，
            //一个是entry(int index)，该方法为LinkedList的私有方法，
            //主要是用来查找index位置的节点元素。
    
    /**
         * 返回指定位置(若存在)的节点元素
         */
        private Entry<E> entry(int index) {
            if (index < 0 || index >= size)
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: "
                        + size);
            //头部节点
            Entry<E> e = header;
            //判断遍历的方向
            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;
        }

**4.Linkedlist增加方法，移除方法，查找方法**

**增加方法**

//add(E e): 将指定元素添加到此列表的结尾。
    
    public boolean add(E e) {
        addBefore(e, header);
            return true;
        }
          //该方法调用addBefore方法，然后直接返回true，
          //对于addBefore()而已，它为LinkedList的私有方法。
    
    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
            //利用Entry构造函数构建一个新节点 newEntry，
            Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
            //修改newEntry的前后节点的引用，确保其链表的引用关系是正确的
            newEntry.previous.next = newEntry;
            newEntry.next.previous = newEntry;
            //容量+1
            size++;
            //修改次数+1
            modCount++;
            return newEntry;
        }

**其他增加方法**

> **add(int index, E element)：在此列表中指定的位置插入指定的元素。**
> 
> **addAll(Collection<? extends E> c)：添加指定 collection 中的所有元素到此列表的结尾，顺序是指定 collection 的迭代器返回这些元素的顺序。**
> 
> **addAll(int index, Collection<? extends E> c)：将指定 collection 中的所有元素从指定位置开始插入此列表。**
> 
> **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结尾。**

**移除方法**

*  **首先判断移除的元素是否为null**
 *  **其次迭代这个链表找到该元素节点**
 *  **最后调用remove(Entry e)（remove(Entry e)为私有方法，是LinkedList中所有移除方法的基础方法）**

//remove(Object o)：
    //从此列表中移除首次出现的指定元素（如果存在）
    
    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;
        }
    
    
    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;
            
            //将该节点的前一节点的next指向该节点后节点
            e.previous.next = e.next;
            //将该节点的后一节点的previous指向该节点的前节点
            //这两步就可以将该节点从链表从除去：在该链表中是无法遍历到该节点的
            e.next.previous = e.previous;
            //将该节点归空
            e.next = e.previous = null;
            e.element = null;
            size--;
            modCount++;
            return result;
        }

**其他移除方法**

> **clear()： 从此列表中移除所有元素。**
> 
> **remove()：获取并移除此列表的头（第一个元素）。**
> 
> **remove(int index)：移除此列表中指定位置处的元素。**
> 
> **remove(Objec o)：从此列表中移除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（从头部到尾部遍历列表时）。**
> 
> **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（从头部到尾部遍历列表时）。**

**查找方法**

> **对于查找方法的源码就没有什么好介绍了，无非就是迭代，比对，然后就是返回当前值。**
> 
> **get(int index)：返回此列表中指定位置处的元素。**
> 
> **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的指定元素的索引，如果此列表中不包含该元素，则返回 -1。**
> 
> **lastIndexOf(Object o)：返回此列表中最后出现的指定元素的索引，如果此列表中不包含该元素，则返回 -1。**

**二、Queue**

**Queue接口：定义了队列数据结构，元素是有序的(按插入顺序)，先进先出**

**DeQueue(Double-ended queue)接口： 继承了Queue接口，创建双向队列，灵活性更强，可以前向或后向迭代，在队头队尾均可插入或删除元素。它的两个主要实现类是ArrayDeque和LinkedList**

**1.ArrayDeque（底层使用循环数组实现双向队列）**

**创建**

public ArrayDeque() {
       // 默认容量为16
       elements = new Object[16];
    }
    
    public ArrayDeque(int numElements) {
       // 指定容量的构造函数
       allocateElements(numElements);
    }
    private void allocateElements(int numElements) {
            int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;// 最小容量为8
            // Find the best power of two to hold elements.
            // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
            // 如果要分配的容量大于等于8，扩大成2的幂（是为了维护头、尾下标值）；
            // 否则使用最小容量8
            if (numElements >= initialCapacity) {
                initialCapacity = numElements;
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
                initialCapacity++;
                if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
                    initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
            }
            elements = new Object[initialCapacity];
        }

**代码解析（找到比输入大的，并且与输入相邻的2的次方数）：**

**运算符：**

*  **| ：二进制运算时，有1就是1**

**例：1|0=1，1|1=1，0|0=0**

*  **>>>：右移几位，0补位**

**例：111>>>1=011  
111>>>2=001**

例：

比如initialCapacity = 9，化成二进制就是：1001

initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);

*  此时initialCapacity=1001,initialCapacity先右移1位，变成0100
 *  然后0100再与之前的initialCapacity做或运算，也就是0100|1001=1101
 *  此时initialCapacity=1101

initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);

*  1101>>>2=0011
 *  0011|1101=1111
 *  此时nitialCapacity=1111

initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);

*  1111>>>4=0000
 *  0000|1111=1111
 *  此时nitialCapacity=1111

initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);

*  1111>>>8=0000 0000
 *  0000 0000|1111，也就是0000 0000|0000 1111 = 0000 1111
 *  0000 1111也就是1111
 *  此时nitialCapacity=1111

一直右移，做或运算，最后就变成了全是1的

**为什么要做initialCapacity++运算（即initialCapacity为什么+1）：**

**因为计算的结果都是1的，加了1之后就会进一位并且变成1000…000，变成2的次方数**

**若是initialCapacity位数很多呢？位数多到，上述的最后一步>>>16都不能包括我所有的位数。**

**不可能！！！**

**因为initialCapacity输入类型是int型（int型最大值是2的31次方）**

**而上述计算中：**

*  **>>>1相当于除以2的1次方**
 *  **然后>>>2是除以2的2次方**
 *  **然后>>>4——2的4次方**
 *  **然后>>>8——2的8次方**
 *  **最后>>>16——2的16次方**
 *  **加起来就是一共运算了2的31次方的数。**

**所以输入的int型，都可以移动的到**

**add操作**

add(E e) 调用 addLast(E e) 方法：
    public void addLast(E e) {
       if (e == null)
          throw new NullPointerException("e == null");
       elements[tail] = e; // 根据尾索引，添加到尾端
       // 尾索引+1，并与数组（length - 1）进行取‘&’运算，
       //因为length是2的幂，所以（length-1）转换为2进制全是1，
       // 所以如果尾索引值 tail 小于等于（length - 1），
       //那么‘&’运算后仍为 tail 本身；如果刚好比（length - 1）大1时，
       // ‘&’运算后 tail 便为0（即回到了数组初始位置）
       //正是通过与（length - 1）进行取‘&’运算来实现数组的双向循环。
       // 如果尾索引和头索引重合了，说明数组满了，进行扩容。
       if ((tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
          doubleCapacity();// 扩容为原来的2倍
    }
    
    
    addFirst(E e) 的实现：
    public void addFirst(E e) {
       if (e == null)
          throw new NullPointerException("e == null");
       // 此处如果head为0，
        //则-1（1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111）与（length - 1）
        //进行取‘&’运算，结果必然是（length - 1），即回到了数组的尾部。
       elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
       // 如果尾索引和头索引重合了，说明数组满了，进行扩容
       if (head == tail)
          doubleCapacity();
    }

**remove操作**

remove()方法最终都会调对应的poll()方法：
        public E poll() {
            return pollFirst();
        }
        public E pollFirst() {
            int h = head;
            @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) elements[h];
            // Element is null if deque empty
            if (result == null)
                return null;
            elements[h] = null;     // Must null out slot
            // 头索引 + 1
            head = (h + 1) & (elements.length - 1);
            return result;
        }
        public E pollLast() {
            // 尾索引 - 1
            int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
            @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) elements[t];
            if (result == null)
                return null;
            elements[t] = null;
            tail = t;
            return result;
        }

**2.PriorityQueue（底层用数组实现堆的结构）**

**Queue与PriorityQueue区别：**

*  **Queue是一种遵循FIFO规则的队列，拿数据的时候按照加入队列的顺序拿取**
 *  **PriorityQueue每次拿数据的时候都会拿出优先级最高的数据**

**PriorityQueue原理：**

*  **优先队列内部维护着一个堆，每次取数据的时候都从堆顶拿数据（堆顶的优先级最高）**

**add添加方法**

public boolean add(E e) {
        return offer(e); // add方法内部调用offer方法
    }
    public boolean offer(E e) {
        if (e == null) // 元素为空的话，抛出NullPointerException异常
            throw new NullPointerException();
        modCount++;
        int i = size;
        if (i >= queue.length) 
            // 如果当前用堆表示的数组已经满了，调用grow方法扩容
            grow(i + 1); // 扩容
        size = i + 1; // 元素个数+1
        if (i == 0) // 堆还没有元素的情况
            queue[0] = e; // 直接给堆顶赋值元素
        else // 堆中已有元素的情况
            // 重新调整堆，从下往上调整，因为新增元素是加到最后一个叶子节点
            siftUp(i, e); 
        return true;
    }
    private void siftUp(int k, E x) {
        if (comparator != null)  // 比较器存在的情况下
            siftUpUsingComparator(k, x); // 使用比较器调整
        else // 比较器不存在的情况下
            siftUpComparable(k, x); // 使用元素自身的比较器调整
    }
    private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
        while (k > 0) { // 一直循环直到父节点还存在
            int parent = (k - 1) >>> 1; // 找到父节点索引，等同于（k - 1）/ 2
            Object e = queue[parent]; // 获得父节点元素
            // 新元素与父元素进行比较，如果满足比较器结果，直接跳出
            //否则进行调整
            if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0) 
                break;
            queue[k] = e; // 进行调整，新位置的元素变成了父元素
            k = parent; // 新位置索引变成父元素索引，进行递归操作
        }
        queue[k] = x; // 新添加的元素添加到堆中
    }

原理图：

![40c64b694992466886d3b72c75ccc6f2.png][]

**poll出队方法：**

public E poll() {
        if (size == 0)
            return null;
        int s = --size; // 元素个数-1
        modCount++;
        E result = (E) queue[0]; // 得到堆顶元素
        E x = (E) queue[s]; // 最后一个叶子节点
        queue[s] = null; // 最后1个叶子节点置空
        if (s != 0)
            siftDown(0, x); // 从上往下调整，因为删除元素是删除堆顶的元素
        return result;
    }
    private void siftDown(int k, E x) {
        if (comparator != null) // 比较器存在的情况下
            siftDownUsingComparator(k, x); // 使用比较器调整
        else // 比较器不存在的情况下
            siftDownComparable(k, x); // 使用元素自身的比较器调整
    }
    private void siftDownUsingComparator(int k, E x) {
        int half = size >>> 1; // 只需循环节点个数的一般即可
        while (k < half) {
            int child = (k << 1) + 1; // 得到父节点的左子节点索引，即（k * 2）+ 1
            Object c = queue[child]; // 得到左子元素
            int right = child + 1; // 得到父节点的右子节点索引
            if (right < size &&
                 // 左子节点跟右子节点比较，取更大的值
                comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0)
                c = queue[child = right];
            // 然后这个更大的值跟最后一个叶子节点比较
            if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)  
                break;
            queue[k] = c; // 新位置使用更大的值
            k = child; // 新位置索引变成子元素索引，进行递归操作
        }
        queue[k] = x; // 最后一个叶子节点添加到合适的位置
    }

![2c7e9445a7e14323a43edaa7e214418a.png][]

**remove删除队列元素:**

public boolean remove(Object o) {
        int i = indexOf(o); // 找到数据对应的索引
        if (i == -1) // 不存在的话返回false
            return false;
        else { // 存在的话调用removeAt方法，返回true
            removeAt(i);
            return true;
        }
    }
    private E removeAt(int i) {
        modCount++;
        int s = --size; // 元素个数-1
        if (s == i) // 如果是删除最后一个叶子节点
            queue[i] = null; // 直接置空，删除即可，堆还是保持特质，不需要调整
        else { // 如果是删除的不是最后一个叶子节点
            E moved = (E) queue[s]; // 获得最后1个叶子节点元素
            queue[s] = null; // 最后1个叶子节点置空
            siftDown(i, moved); // 从上往下调整
            if (queue[i] == moved) { 
                // 如果从上往下调整完毕之后发现元素位置没变，从下往上调整
                siftUp(i, moved); // 从下往上调整
                if (queue[i] != moved)
                    return moved;
            }
        }
        return null;
    }

**siftDown() 下滤过程：**

![a058c19dfb8049eb86d14c68b2f5eae2.png][]

**siftUp() 上滤过程：**

![7e00cda42eb945bf9a913b34bb6b94eb.png][]

**四、总结：**

1.  **jdk内置的优先队列PriorityQueue内部使用一个堆维护数据，每当有数据add进来或者poll出去的时候会对堆做从下往上的调整和从上往下的调整。**
2.  **PriorityQueue不是一个线程安全的类，如果要在多线程环境下使用，可以使用 PriorityBlockingQueue 这个优先阻塞队列。其中add、poll、remove方法都使用 ReentrantLock 锁来保持同步，take() 方法中如果元素为空，则会一直保持阻塞。**

参考文章：[https://github.com/h2pl/Java-Tutorial/blob/master/docs/java/collection/Java%E9%9B%86%E5%90%88%E8%AF%A6%E8%A7%A32%EF%BC%9AQueue%E5%92%8CLinkedList.md][https_github.com_h2pl_Java-Tutorial_blob_master_docs_java_collection_Java_E9_9B_86_E5_90_88_E8_AF_A6_E8_A7_A32_EF_BC_9AQueue_E5_92_8CLinkedList.md]

[n |= n ＞＞＞ 1——JDK10的HashMap原理 tableSizeFor(initialCapacity)方法\_太书红叶的博客-CSDN博客][n _ n _ 1_JDK10_HashMap_ tableSizeFor_initialCapacity_-CSDN]

[40c64b694992466886d3b72c75ccc6f2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/7eaa74d79f7043e8995283cb83ef6f45.png
[2c7e9445a7e14323a43edaa7e214418a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/68dd23680a5540ff9543c53742a6aa51.png
[a058c19dfb8049eb86d14c68b2f5eae2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/802b0e4666e74ae7b9e0058030ee69aa.png
[7e00cda42eb945bf9a913b34bb6b94eb.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/7b17a07ffb704742b8f0493c7f602186.png
[https_github.com_h2pl_Java-Tutorial_blob_master_docs_java_collection_Java_E9_9B_86_E5_90_88_E8_AF_A6_E8_A7_A32_EF_BC_9AQueue_E5_92_8CLinkedList.md]: https://github.com/h2pl/Java-Tutorial/blob/master/docs/java/collection/Java%E9%9B%86%E5%90%88%E8%AF%A6%E8%A7%A32%EF%BC%9AQueue%E5%92%8CLinkedList.md
[n _ n _ 1_JDK10_HashMap_ tableSizeFor_initialCapacity_-CSDN]: https://blog.csdn.net/u014540814/article/details/88354793?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522166435552716781432982142%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=166435552716781432982142&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-4-88354793-null-null.142%5Ev50%5Enew_blog_pos_by_title,201%5Ev3%5Econtrol_1&utm_term=%20initialCapacity%20%7C%3D%20%28initialCapacity%20%3E%3E%3E%20%201%29%3B&spm=1018.2226.3001.4187