Java集合详解2：LinkedList和Queue

今天我们来探索一下LinkedList和Queue，以及Stack的源码。

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本文参考  http://cmsblogs.com/?p=155 和  https://www.jianshu.com/p/0e84b8d3606c

概述

LinkedList与ArrayList一样实现List接口，只是ArrayList是List接口的大小可变数组的实现，LinkedList是List接口链表的实现。基于链表实现的方式使得LinkedList在插入和删除时更优于ArrayList，而随机访问则比ArrayList逊色些。

LinkedList实现所有可选的列表操作，并允许所有的元素包括null。

除了实现 List 接口外，LinkedList 类还为在列表的开头及结尾 get、remove 和 insert 元素提供了统一的命名方法。这些操作允许将链接列表用作堆栈、队列或双端队列。

此类实现 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。

所有操作都是按照双重链接列表的需要执行的。在列表中编索引的操作将从开头或结尾遍历列表（从靠近指定索引的一端）。

同时，与ArrayList一样此实现不是同步的。

（以上摘自JDK 6.0 API）。

源码分析

定义

首先我们先看LinkedList的定义：

public class LinkedList
    extends AbstractSequentialList
    implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable
      从这段代码中我们可以清晰地看出LinkedList继承AbstractSequentialList，实现List、Deque、Cloneable、Serializable。其中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。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。

属性

在LinkedList中提供了两个基本属性size、header。

private transient Entry header = new Entry(null, null, null); private transient int size = 0; 其中size表示的LinkedList的大小，header表示链表的表头，Entry为节点对象。

private static class Entry {
    E element;        //元素节点
    Entry next;    //下一个元素
    Entry previous;  //上一个元素
    Entry(E element, Entry next, Entry previous) {
        this.element = element;
        this.next = next;
        this.previous = previous;
    }
}
  上面为Entry对象的源代码，Entry为LinkedList的内部类，它定义了存储的元素。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。

构造方法

LinkedList提供了两个构造方法：LinkedList()和LinkedList(Collection c)。

/**
     *  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 c) {
        this();
        addAll(c);
    }

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 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。以下是addAll()的源代码：

/**
     *  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 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 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 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 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 = new Entry((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 entry(int index) {
        if (index < 0 || index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: "
                    + size);
        //头部节点
        Entry 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;
    }

从该方法有两个遍历方向中我们也可以看出LinkedList是双向链表，这也是在构造方法中为什么需要将header的前、后节点均指向自己。

如果对数据结构有点了解，对上面所涉及的内容应该问题，我们只需要清楚一点：LinkedList是双向链表，其余都迎刃而解。

由于篇幅有限，下面将就LinkedList中几个常用的方法进行源码分析。

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 addBefore(E e, Entry entry) {
        //利用Entry构造函数构建一个新节点 newEntry，
        Entry newEntry = new Entry(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;
    }

在addBefore方法中无非就是做了这件事：构建一个新节点newEntry，然后修改其前后的引用。

LinkedList还提供了其他的增加方法：

  add(int index, E element)：在此列表中指定的位置插入指定的元素。
  addAll(Collection 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 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

  remove(Object o)：从此列表中移除首次出现的指定元素（如果存在）。该方法的源代码如下：
public boolean remove(Object o) {
        if (o==null) {
            for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
                if (e.element==null) {
                    remove(e);
                    return true;
                }
            }
        } else {
            for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
                if (o.equals(e.element)) {
                    remove(e);
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

该方法首先会判断移除的元素是否为null，然后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，如下：

private E remove(Entry 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;
    }

其他的移除方法：

  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。

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。Queue接口相关的部分UML类图如下：

cdn.xitu.io/2019/4/13/16a15f158fd4b4ec?w=578&h=300&f=png&s=33212">

DeQueue

DeQueue(Double-ended queue)为接口，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，在队头队尾均可心插入或删除元素。它的两个主要实现类是ArrayDeque和LinkedList。

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];
    }

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;
    }

PriorityQueue（底层用数组实现堆的结构）

优先队列跟普通的队列不一样，普通队列是一种遵循FIFO规则的队列，拿数据的时候按照加入队列的顺序拿取。 而优先队列每次拿数据的时候都会拿出优先级最高的数据。

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），这就是优先队列的原理。

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
        siftUp(i, e); // 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
    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
}

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 &&
            comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0) // 左子节点跟右子节点比较，取更大的值
            c = queue[child = right];
        if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)  // 然后这个更大的值跟最后一个叶子节点比较
            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
}

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;
}

先执行 siftDown() 下滤过程：

再执行 siftUp() 上滤过程：

总结和同步的问题

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。

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