Java数据结构学习和源码阅读（线性数据结构）

线性数据结构

链表 LinkList

链表的数据结构

一组由节点组成的数据结构，每个元素指向下一个元素，是线性序列。

最简单的链表结构：

• 数据
• 指针（存放执行下一个节点的指针）

不适合的场景：

• 需要循环遍历将导致时间复杂度的提升

链表分类—单向链表

链表结构：

• 数据
• 指针 Next（指向下一个节点）

链表分类-双向列表

链表结构：

• 数据
• 指针 Next(指向下一个节点)
• 指针 Prev（指向前一个节点）

链表分类-循环列表

链表结构：

• 数据
• 指针 Next(指向下一个节点，最后一个节点指向第一个节点)

实现一个双向链表

实现链表节点：

public class Node<E> {E item;Node<E> prev;Node<E> next;public Node(E item, Node<E> prev, Node<E> next) {this.item = item;this.prev = prev;this.next = next;}
}

在头节点之前插入节点：

void insertNodeBeforeHead(E e){
final Node<E> oldHeadNode=head;
final Node<E> newHeadNode=new Node<E>(e,null,oldHeadNode);head=newHeadNode;if(oldHeadNode==null){// 说明原先链表中没有元素tail=newHeadNode;}else{// 如果有元素，则需要改变头节点的指针指向oldHeadNode.prev=newHeadNode;}size++;}

在尾节点之后插入节点：

void insertNodeAfterTail(E e){
final Node<E> oldTailNode=tail;
final Node<E> newTailNode=new Node<E>(e,oldTailNode,null);tail=newTailNode;if(oldTailNode==null){head=newTailNode;}else{oldTailNode.next=newTailNode;}size++;}

拆除链表：

E unlinkByNode(Node<E> node){
final E element=node.item;
final Node<E> prevNode=node.prev;
final Node<E> nextNode=node.next;// 改变前一个元素的next指针指向的元素if(prevNode==null){// 说明是头节点head=nextNode;}else{prevNode.next=nextNode;node.prev=null;}// 改变后一个元素的prev指针指向的元素if(nextNode==null){// 说明是尾节点，没有下一个元素tail=prevNode;}else{nextNode.prev=prevNode;node.next=null;}size--;node.item=null;return null;}

移除元素：

 public boolean removeNodeByElement(E e){if(e==null){for(Node<E> start=head;start!=null;start=start.next){if(start.item==null){unlinkByNode(start);return true;}}}else{for(Node<E> start=head;start!=null;start=start.next){if(start.item.equals(e)){unlinkByNode(start);return true;}}}return false;}

LinkedList 源码解读

继承关系

关键属性

    transient int size=0;/*** Pointer to first node.* Invariant: (first == null && last == null) ||*            (first.prev == null && first.item != null)*/
transient Node<E> first;/*** Pointer to last node.* Invariant: (first == null && last == null) ||*            (last.next == null && last.item != null)*/
transient Node<E> last;

Node

其中节点 Node 的数据结构如下，是 LinkedList 的内部类：

 private static class Node<E> {E item; // 存储数据Node<E> next; // 指向下一个节点Node<E> prev; // 指向前一个节点Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {this.item = element;this.next = next;this.prev = prev;}
}

transient 的作用

首先，需要理解 Java 中序列化和反序列化的作用：

• 序列化：将内存中的对象信息转化为二进制数组的方法，可以将数组保存和传输，然后使用原来的类模板恢复对象的信息。
• 反序列化：使用原来的类模板将序列化后的二进制数组恢复为 Java 对象。

如何实现序列化和反序列化：

• 实现 Serializable 接口：
  • 写对象信息：ObjectOutputStream.writeObject(Object object)，该方法会判断 object 是否重写了 writeObject
    方法，如果重写了，则通过反射调用重写后的方法，完成序列化
  • 读对象信息：ObjectInputStream.readObject()

什么情况下不需要序列化：

• 节省空间，去除部分无用的属性
• 持有对象的引用（对象在内存中的地址值）

LinkedList 将 first 和 last 修饰成 transient 的原因：

• 节省空间
• 重新连接链表：结点中保存前驱和后继的引用，序列化之后前序结点和后继结点的地址发生了改变，需要连接新的节点。

writeObject && readObject

LinkedList 重写了 writeObject 和 readObject 方法，自定义了序列化和反序列化的过程，用于重新链接节点：

序列化：writeObject

/*** Saves the state of this {@code LinkedList} instance to a stream* (that is, serializes it).** @serialData The size of the list (the number of elements it*             contains) is emitted (int), followed by all of its*             elements (each an Object) in the proper order.*/
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)throws java.io.IOException{// Write out any hidden serialization magic 调用默认的序列化方法s.defaultWriteObject();// Write out size 指定序列化的容量，单位：32 bit ints.writeInt(size);// Write out all elements in the proper order.// 只把结点中的值序列化，前序和后继的引用不序列化for(Node<E> x=first;x!=null;x=x.next)s.writeObject(x.item);}

反序列化：readObject

/*** Reconstitutes this {@code LinkedList} instance from a stream* (that is, deserializes it).*/
@SuppressWarnings("unchecked")
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)throws java.io.IOException,ClassNotFoundException{// Read in any hidden serialization magic 用默认的反序列化方法s.defaultReadObject();// Read in size 指定读的容量int size=s.readInt();// Read in all elements in the proper order.// 读取每一个结点保存的值，创建新结点，重新连接链表。for(int i=0;i<size; i++)linkLast((E)s.readObject()); // linkLast是向链表中的尾部插入节点的方法}

向链表的最后一个节点插入元素值为 e 的节点：linkLast(E e)

核心流程：

• 拿到当前的尾节点，记为 l
• 使用需要创建的元素 e 创建一个新的节点 newNode，prev 属性为 l 节点，next 属性为 null
• 将当前尾节点设置为上面新创建的节点 newNode
• 如果 l 节点为空则代表当前链表为空, 将 newNode 设置为头结点，否则将 l 节点的 next 属性设置为 newNode

    /*** Links e as last element.*/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;elsel.next=newNode;size++;modCount++;}

向指定节点前插入元素值为 e 的节点: linkBefore(E e, Node succ)

核心流程：

• 拿到 succ 节点的 prev 节点
• 使用 e 创建一个新的节点 newNode，其中 prev 属性为 pred 节点，next 属性为 succ 节点
• 将 succ 节点的 prev 属性设置为 newNode
• 如果 pred 节点为 null，则代表 succ 节点为头结点，要把 e 插入 succ 前面，因此将 first 设置为 newNode，否则将 pred 节点的 next 属性设为 newNode

    /*** Inserts element e before non-null Node succ.*/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;elsepred.next=newNode;size++;modCount++;}

移除链接上的节点 x（取消链接 x）：E unlink(Node x)

核心流程：

• 定义 element 为 x 节点的值，next 为 x 节点的下一个节点，prev 为 x 节点的上一个节点
• 如果 prev 为空，则代表 x 节点为头结点，则将 first 指向 next 即可；否则，x 节点不为头结点，将 prev 节点的 next 属性指向 x 节点的 next 属性，并将 x 的 prev 属性清空
• 如果 next 为空，则代表 x 节点为尾节点，则将 last 指向 prev 即可；否则，x 节点不为尾节点，将 next 节点的 prev 属性指向 x 节点的 prev 属性，并将 x 的 next 属性清空
• 将 x 的 item 属性清空，以便垃圾收集器回收 x 对象

    /*** Unlinks non-null node x.*/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;}

插入元素：add

默认插入方法，尾部插入：boolean add(E e)

直接插入链表尾部

    /*** Appends the specified element to the end of this list.** <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.** @param e element to be appended to this list* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})*/
public boolean add(E e){linkLast(e);return true;}

指定位置插入元素：add(int index,E element)

流程：

• 检查索引 index 是否越界（只要用到了索引 index，都会判断是否越界）
• 如果索引 index 和链表当前的长度 size 相同，则执行尾部插入
• 否则，将 element 插入原 index 位置节点的前面

    /*** Inserts the specified element at the specified position in this list.* Shifts the element currently at that position (if any) and any* subsequent elements to the right (adds one to their indices).** @param index index at which the specified element is to be inserted* @param element element to be inserted* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}*/
public void add(int index,E element){checkPositionIndex(index);if(index==size)linkLast(element);elselinkBefore(element,node(index));}

获取节点：get

核心流程：

• 根据 index，调用 node 方法,寻找目标节点，返回目标节点的 item。

    /*** Returns the element at the specified position in this list.** @param index index of the element to return* @return the element at the specified position in this list* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}*/
public E get(int index){checkElementIndex(index);return node(index).item;}

根据指定索引 index 位置查找节点

核心流程：

• 如果 index 的长度是链表长度的一半，则在链表前半部分，从头节点开始遍历
• 否则，从尾节点开始遍历

    /*** Returns the (non-null) Node at the specified element index.*/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;}}

替换指定位置的元素：set

核心流程：

• 调用 node 方法寻找到目标节点
• 将目标节点的 item 属性，替换为目标元素

    /*** Replaces the element at the specified position in this list with the* specified element.** @param index index of the element to replace* @param element element to be stored at the specified position* @return the element previously at the specified position* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}*/
public E set(int index,E element){checkElementIndex(index);Node<E> x=node(index);E oldVal=x.item;x.item=element;return oldVal;}

移除节点

移除指定元素的节点：boolean remove(Object o)

核心流程：

• 因为普通元素值和 null 判断存在区别，所以需要判断 o 是否为 null，如果 o 为 null，则遍历链表寻找 item 属性为空的节点，并调用 unlink 方法将该节点移除
• 否则，遍历链表寻找 item 属性跟 o 相同的节点，并调用 unlink 方法将该节点移除。

    /*** Removes the first occurrence of the specified element from this list,* if it is present.  If this list does not contain the element, it is* unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index* {@code i} such that* <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>* (if such an element exists).  Returns {@code true} if this list* contained the specified element (or equivalently, if this list* changed as a result of the call).** @param o element to be removed from this list, if present* @return {@code true} if this list contained the specified element*/
public boolean remove(Object o){if(o==null){for(Node<E> x=first;x!=null;x=x.next){if(x.item==null){unlink(x);return true;}}}else{for(Node<E> x=first;x!=null;x=x.next){if(o.equals(x.item)){unlink(x);return true;}}}return false;}

移除指定索引位置的节点：remove(int index)

核心流程：

• 调用 unlink 方法，移除 index 位置的节点

    /*** Removes the element at the specified position in this list.  Shifts any* subsequent elements to the left (subtracts one from their indices).* Returns the element that was removed from the list.** @param index the index of the element to be removed* @return the element previously at the specified position* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}*/
public E remove(int index){checkElementIndex(index);return unlink(node(index));}

清除链表中的所有元素：clear

从 first 节点开始遍历，将所有的节点的 item、next、prev 值设置为 null。

    public void clear(){// Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:// - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit//   more than one generation// - is sure to free memory even if there is a reachable Iteratorfor(Node<E> x=first;x!=null;){Node<E> next=x.next;x.item=null;x.next=null;x.prev=null;x=next;}first=last=null;size=0;modCount++;}

question

1. 描述链表的数据结构
2. Java 中的 LinkedList 的数据结构和原理

Node 的源码：

• 有 Next 指针、Prev 指针，说明是双向链表
  

LinkedList 的 linkLast 向尾元素后插入元素的方法源码：

• 尾元素的 prev 指针没有指向头元素，说明非循环
  

结论：非循环双向链表

3. 链表中数据的插入、删除和获取的时间复杂度分析

获取：O(n)
插入：

• 有前置节点（头尾插入）：O(1)
• 无前置节点：O(n)

4. 什么场景下更适合使用链表

在不确定数据量且需要频繁插入和删除操作的场景下。

leetcode 题目

707 设计链表

707 设计链表