2023-06-07 13:18:39 +08:00
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title: LinkedList 源码分析
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category: Java
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tag:
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- Java集合
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2023-08-07 18:15:14 +08:00
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<!-- @include: @article-header.snippet.md -->
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2023-06-07 13:18:39 +08:00
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## LinkedList 简介
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2023-10-08 16:33:50 +08:00
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`LinkedList` 是一个基于双向链表实现的集合类,经常被拿来和 `ArrayList` 做比较。关于 `LinkedList` 和`ArrayList`的详细对比,我们 [Java 集合常见面试题总结(上)](./java-collection-questions-01.md)有详细介绍到。
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2023-06-07 13:18:39 +08:00
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![双向链表](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/cs-basics/data-structure/bidirectional-linkedlist.png)
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不过,我们在项目中一般是不会使用到 `LinkedList` 的,需要用到 `LinkedList` 的场景几乎都可以使用 `ArrayList` 来代替,并且,性能通常会更好!就连 `LinkedList` 的作者约书亚 · 布洛克(Josh Bloch)自己都说从来不会使用 `LinkedList` 。
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![](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/redisimage-20220412110853807.png)
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另外,不要下意识地认为 `LinkedList` 作为链表就最适合元素增删的场景。我在上面也说了,`LinkedList` 仅仅在头尾插入或者删除元素的时候时间复杂度近似 O(1),其他情况增删元素的平均时间复杂度都是 O(n) 。
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### LinkedList 插入和删除元素的时间复杂度?
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- 头部插入/删除:只需要修改头结点的指针即可完成插入/删除操作,因此时间复杂度为 O(1)。
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- 尾部插入/删除:只需要修改尾结点的指针即可完成插入/删除操作,因此时间复杂度为 O(1)。
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- 指定位置插入/删除:需要先移动到指定位置,再修改指定节点的指针完成插入/删除,因此需要移动平均 n/2 个元素,时间复杂度为 O(n)。
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### LinkedList 为什么不能实现 RandomAccess 接口?
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`RandomAccess` 是一个标记接口,用来表明实现该接口的类支持随机访问(即可以通过索引快速访问元素)。由于 `LinkedList` 底层数据结构是链表,内存地址不连续,只能通过指针来定位,不支持随机快速访问,所以不能实现 `RandomAccess` 接口。
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## LinkedList 源码分析
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这里以 JDK1.8 为例,分析一下 `LinkedList` 的底层核心源码。
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`LinkedList` 的类定义如下:
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```java
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public class LinkedList<E>
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extends AbstractSequentialList<E>
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implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
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{
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//...
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}
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```
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`LinkedList` 继承了 `AbstractSequentialList` ,而 `AbstractSequentialList` 又继承于 `AbstractList` 。
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阅读过 `ArrayList` 的源码我们就知道,`ArrayList` 同样继承了 `AbstractList` , 所以 `LinkedList` 会有大部分方法和 `ArrayList` 相似。
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`LinkedList` 实现了以下接口:
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- `List` : 表明它是一个列表,支持添加、删除、查找等操作,并且可以通过下标进行访问。
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- `Deque` :继承自 `Queue` 接口,具有双端队列的特性,支持从两端插入和删除元素,方便实现栈和队列等数据结构。需要注意,`Deque` 的发音为 "deck" [dɛk],这个大部分人都会读错。
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- `Cloneable` :表明它具有拷贝能力,可以进行深拷贝或浅拷贝操作。
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- `Serializable` : 表明它可以进行序列化操作,也就是可以将对象转换为字节流进行持久化存储或网络传输,非常方便。
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2023-06-08 20:34:44 +08:00
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![LinkedList 类图](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/java/collection/linkedlist--class-diagram.png)
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2023-06-07 13:18:39 +08:00
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`LinkedList` 中的元素是通过 `Node` 定义的:
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```java
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private static class Node<E> {
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E item;// 节点值
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Node<E> next; // 指向的下一个节点(后继节点)
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Node<E> prev; // 指向的前一个节点(前驱结点)
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// 初始化参数顺序分别是:前驱结点、本身节点值、后继节点
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Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
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this.item = element;
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this.next = next;
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this.prev = prev;
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}
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}
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```
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### 初始化
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`LinkedList` 中有一个无参构造函数和一个有参构造函数。
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```java
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// 创建一个空的链表对象
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public LinkedList() {
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}
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// 接收一个集合类型作为参数,会创建一个与传入集合相同元素的链表对象
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public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
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this();
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addAll(c);
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}
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```
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### 插入元素
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`LinkedList` 除了实现了 `List` 接口相关方法,还实现了 `Deque` 接口的很多方法,所以我们有很多种方式插入元素。
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我们这里以 `List` 接口中相关的插入方法为例进行源码讲解,对应的是`add()` 方法。
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`add()` 方法有两个版本:
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- `add(E e)`:用于在 `LinkedList` 的尾部插入元素,即将新元素作为链表的最后一个元素,时间复杂度为 O(1)。
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- `add(int index, E element)`:用于在指定位置插入元素。这种插入方式需要先移动到指定位置,再修改指定节点的指针完成插入/删除,因此需要移动平均 n/2 个元素,时间复杂度为 O(n)。
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```java
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// 在链表尾部插入元素
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public boolean add(E e) {
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linkLast(e);
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return true;
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}
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// 在链表指定位置插入元素
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public void add(int index, E element) {
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// 下标越界检查
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checkPositionIndex(index);
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// 判断 index 是不是链表尾部位置
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if (index == size)
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// 如果是就直接调用 linkLast 方法将元素节点插入链表尾部即可
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linkLast(element);
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else
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// 如果不是则调用 linkBefore 方法将其插入指定元素之前
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linkBefore(element, node(index));
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}
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// 将元素节点插入到链表尾部
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void linkLast(E e) {
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// 将最后一个元素赋值(引用传递)给节点 l
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final Node<E> l = last;
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// 创建节点,并指定节点前驱为链表尾节点 last,后继引用为空
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final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
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// 将 last 引用指向新节点
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last = newNode;
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// 判断尾节点是否为空
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// 如果 l 是null 意味着这是第一次添加元素
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if (l == null)
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// 如果是第一次添加,将first赋值为新节点,此时链表只有一个元素
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first = newNode;
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else
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// 如果不是第一次添加,将新节点赋值给l(添加前的最后一个元素)的next
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l.next = newNode;
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size++;
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modCount++;
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}
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// 在指定元素之前插入元素
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void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
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// assert succ != null;断言 succ不为 null
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// 定义一个节点元素保存 succ 的 prev 引用,也就是它的前一节点信息
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final Node<E> pred = succ.prev;
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// 初始化节点,并指明前驱和后继节点
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final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
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// 将 succ 节点前驱引用 prev 指向新节点
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succ.prev = newNode;
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// 判断尾节点是否为空,为空表示当前链表还没有节点
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if (pred == null)
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first = newNode;
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else
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// succ 节点前驱的后继引用指向新节点
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pred.next = newNode;
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size++;
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modCount++;
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}
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```
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### 获取元素
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`LinkedList`获取元素相关的方法一共有 3 个:
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1. `getFirst()`:获取链表的第一个元素。
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2. `getLast()`:获取链表的最后一个元素。
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3. `get(int index)`:获取链表指定位置的元素。
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```java
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// 获取链表的第一个元素
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public E getFirst() {
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final Node<E> f = first;
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if (f == null)
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throw new NoSuchElementException();
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return f.item;
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}
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// 获取链表的最后一个元素
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public E getLast() {
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final Node<E> l = last;
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if (l == null)
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throw new NoSuchElementException();
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return l.item;
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}
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// 获取链表指定位置的元素
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public E get(int index) {
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// 下标越界检查,如果越界就抛异常
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checkElementIndex(index);
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// 返回链表中对应下标的元素
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return node(index).item;
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}
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```
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这里的核心在于 `node(int index)` 这个方法:
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```java
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// 返回指定下标的非空节点
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Node<E> node(int index) {
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// 断言下标未越界
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// assert isElementIndex(index);
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// 如果index小于size的二分之一 从前开始查找(向后查找) 反之向前查找
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if (index < (size >> 1)) {
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Node<E> x = first;
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// 遍历,循环向后查找,直至 i == index
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for (int i = 0; i < index; i++)
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x = x.next;
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return x;
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} else {
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Node<E> x = last;
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for (int i = size - 1; i > index; i--)
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x = x.prev;
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return x;
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}
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}
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```
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`get(int index)` 或 `remove(int index)` 等方法内部都调用了该方法来获取对应的节点。
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从这个方法的源码可以看出,该方法通过比较索引值与链表 size 的一半大小来确定从链表头还是尾开始遍历。如果索引值小于 size 的一半,就从链表头开始遍历,反之从链表尾开始遍历。这样可以在较短的时间内找到目标节点,充分利用了双向链表的特性来提高效率。
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### 删除元素
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2023-06-08 20:34:44 +08:00
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`LinkedList`删除元素相关的方法一共有 5 个:
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2023-06-07 13:18:39 +08:00
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1. `removeFirst()`:删除并返回链表的第一个元素。
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2. `removeLast()`:删除并返回链表的最后一个元素。
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3. `remove(E e)`:删除链表中首次出现的指定元素,如果不存在该元素则返回 false。
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2023-06-08 20:34:44 +08:00
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4. `remove(int index)`:删除指定索引处的元素,并返回该元素的值。
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5. `void clear()`:移除此链表中的所有元素。
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2023-06-07 13:18:39 +08:00
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```java
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// 删除并返回链表的第一个元素
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public E removeFirst() {
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final Node<E> f = first;
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if (f == null)
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throw new NoSuchElementException();
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return unlinkFirst(f);
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}
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// 删除并返回链表的最后一个元素
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public E removeLast() {
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final Node<E> l = last;
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if (l == null)
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throw new NoSuchElementException();
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return unlinkLast(l);
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}
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2024-02-13 07:58:51 +08:00
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// 删除链表中首次出现的指定元素,如果不存在该元素则返回 false
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2023-06-07 13:18:39 +08:00
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public boolean remove(Object o) {
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// 如果指定元素为 null,遍历链表找到第一个为 null 的元素进行删除
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if (o == null) {
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for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
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if (x.item == null) {
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unlink(x);
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return true;
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}
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}
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} else {
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// 如果不为 null ,遍历链表找到要删除的节点
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for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
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if (o.equals(x.item)) {
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unlink(x);
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return true;
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}
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|
}
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|
}
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|
return false;
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|
}
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// 删除链表指定位置的元素
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public E remove(int index) {
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// 下标越界检查,如果越界就抛异常
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checkElementIndex(index);
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return unlink(node(index));
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|
}
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```
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这里的核心在于 `unlink(Node<E> x)` 这个方法:
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```java
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E unlink(Node<E> x) {
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// 断言 x 不为 null
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// assert x != null;
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// 获取当前节点(也就是待删除节点)的元素
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final E element = x.item;
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// 获取当前节点的下一个节点
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final Node<E> next = x.next;
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// 获取当前节点的前一个节点
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final Node<E> prev = x.prev;
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// 如果前一个节点为空,则说明当前节点是头节点
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if (prev == null) {
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// 直接让链表头指向当前节点的下一个节点
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first = next;
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} else { // 如果前一个节点不为空
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// 将前一个节点的 next 指针指向当前节点的下一个节点
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prev.next = next;
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// 将当前节点的 prev 指针置为 null,,方便 GC 回收
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x.prev = null;
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}
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// 如果下一个节点为空,则说明当前节点是尾节点
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if (next == null) {
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// 直接让链表尾指向当前节点的前一个节点
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last = prev;
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} else { // 如果下一个节点不为空
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// 将下一个节点的 prev 指针指向当前节点的前一个节点
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next.prev = prev;
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// 将当前节点的 next 指针置为 null,方便 GC 回收
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x.next = null;
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}
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// 将当前节点元素置为 null,方便 GC 回收
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x.item = null;
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size--;
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modCount++;
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return element;
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}
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```
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`unlink()` 方法的逻辑如下:
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1. 首先获取待删除节点 x 的前驱和后继节点;
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2. 判断待删除节点是否为头节点或尾节点:
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- 如果 x 是头节点,则将 first 指向 x 的后继节点 next
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- 如果 x 是尾节点,则将 last 指向 x 的前驱节点 prev
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- 如果 x 不是头节点也不是尾节点,执行下一步操作
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3. 将待删除节点 x 的前驱的后继指向待删除节点的后继 next,断开 x 和 x.prev 之间的链接;
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4. 将待删除节点 x 的后继的前驱指向待删除节点的前驱 prev,断开 x 和 x.next 之间的链接;
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5. 将待删除节点 x 的元素置空,修改链表长度。
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可以参考下图理解(图源:[LinkedList 源码分析(JDK 1.8)](https://www.tianxiaobo.com/2018/01/31/LinkedList-%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90-JDK-1-8/)):
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![unlink 方法逻辑](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/java/collection/linkedlist-unlink.jpg)
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### 遍历链表
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推荐使用`for-each` 循环来遍历 `LinkedList` 中的元素, `for-each` 循环最终会转换成迭代器形式。
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```java
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LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
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list.add("apple");
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list.add("banana");
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list.add("pear");
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for (String fruit : list) {
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System.out.println(fruit);
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}
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```
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`LinkedList` 的遍历的核心就是它的迭代器的实现。
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```java
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// 双向迭代器
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private class ListItr implements ListIterator<E> {
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// 表示上一次调用 next() 或 previous() 方法时经过的节点;
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private Node<E> lastReturned;
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// 表示下一个要遍历的节点;
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private Node<E> next;
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// 表示下一个要遍历的节点的下标,也就是当前节点的后继节点的下标;
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private int nextIndex;
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// 表示当前遍历期望的修改计数值,用于和 LinkedList 的 modCount 比较,判断链表是否被其他线程修改过。
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private int expectedModCount = modCount;
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…………
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}
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```
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下面我们对迭代器 `ListItr` 中的核心方法进行详细介绍。
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我们先来看下从头到尾方向的迭代:
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```java
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// 判断还有没有下一个节点
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public boolean hasNext() {
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// 判断下一个节点的下标是否小于链表的大小,如果是则表示还有下一个元素可以遍历
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return nextIndex < size;
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}
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// 获取下一个节点
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public E next() {
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// 检查在迭代过程中链表是否被修改过
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|
checkForComodification();
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|
// 判断是否还有下一个节点可以遍历,如果没有则抛出 NoSuchElementException 异常
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|
if (!hasNext())
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throw new NoSuchElementException();
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// 将 lastReturned 指向当前节点
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lastReturned = next;
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// 将 next 指向下一个节点
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next = next.next;
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nextIndex++;
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|
return lastReturned.item;
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|
}
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```
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再来看一下从尾到头方向的迭代:
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```java
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// 判断是否还有前一个节点
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public boolean hasPrevious() {
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return nextIndex > 0;
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}
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// 获取前一个节点
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public E previous() {
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|
// 检查是否在迭代过程中链表被修改
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|
checkForComodification();
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|
// 如果没有前一个节点,则抛出异常
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|
if (!hasPrevious())
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|
throw new NoSuchElementException();
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// 将 lastReturned 和 next 指针指向上一个节点
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lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
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nextIndex--;
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return lastReturned.item;
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}
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```
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如果需要删除或插入元素,也可以使用迭代器进行操作。
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```java
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|
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
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list.add("apple");
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|
list.add(null);
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|
list.add("banana");
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// Collection 接口的 removeIf 方法底层依然是基于迭代器
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list.removeIf(Objects::isNull);
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for (String fruit : list) {
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|
System.out.println(fruit);
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}
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```
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迭代器对应的移除元素的方法如下:
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```java
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// 从列表中删除上次被返回的元素
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public void remove() {
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// 检查是否在迭代过程中链表被修改
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|
checkForComodification();
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|
// 如果上次返回的节点为空,则抛出异常
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if (lastReturned == null)
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|
throw new IllegalStateException();
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// 获取当前节点的下一个节点
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Node<E> lastNext = lastReturned.next;
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// 从链表中删除上次返回的节点
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|
unlink(lastReturned);
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// 修改指针
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if (next == lastReturned)
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|
next = lastNext;
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|
else
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|
nextIndex--;
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|
// 将上次返回的节点引用置为 null,方便 GC 回收
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|
lastReturned = null;
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|
expectedModCount++;
|
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|
|
|
}
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|
|
```
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## LinkedList 常用方法测试
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代码:
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```java
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// 创建 LinkedList 对象
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|
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
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// 添加元素到链表末尾
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list.add("apple");
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list.add("banana");
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list.add("pear");
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|
System.out.println("链表内容:" + list);
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// 在指定位置插入元素
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list.add(1, "orange");
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|
System.out.println("链表内容:" + list);
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// 获取指定位置的元素
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String fruit = list.get(2);
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System.out.println("索引为 2 的元素:" + fruit);
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// 修改指定位置的元素
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list.set(3, "grape");
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|
System.out.println("链表内容:" + list);
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// 删除指定位置的元素
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list.remove(0);
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|
System.out.println("链表内容:" + list);
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// 删除第一个出现的指定元素
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list.remove("banana");
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|
System.out.println("链表内容:" + list);
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// 获取链表的长度
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int size = list.size();
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System.out.println("链表长度:" + size);
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// 清空链表
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list.clear();
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System.out.println("清空后的链表:" + list);
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```
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|
输出:
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|
2023-10-08 16:33:50 +08:00
|
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|
|
```plain
|
2023-06-07 13:18:39 +08:00
|
|
|
|
索引为 2 的元素:banana
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|
链表内容:[apple, orange, banana, grape]
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链表内容:[orange, banana, grape]
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|
链表内容:[orange, grape]
|
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|
链表长度:2
|
|
|
|
|
清空后的链表:[]
|
2023-08-07 18:56:33 +08:00
|
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```
|
2023-10-27 06:44:02 +08:00
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<!-- @include: @article-footer.snippet.md -->
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