2 手写Java LinkedList核心源码

上一章我们手写了ArrayList的核心源码，ArrayList底层是用了一个数组来保存数据，数组保存数据的优点就是查找效率高，但是删除效率特别低，最坏的情况下需要移动所有的元素。在查找需求比较重要的情况下可以用ArrayList，如果是删除操作比较多的情况下，用ArrayList就不太合适了。Java为我们提供了LinkedList，是用链接来实现的，我们今天就来手写一个QLinkedList，来提示底层是怎么做的。

如上图，底层用一个双链表，另外有两个指示器，一个指向头，一个指向尾。
链表中的每个节点的next指向下一个节点，同理pre指向上一个节点，第一个节点的pre为null，最后一个节点的next为null

双链表的细节实现较多，尤其是边界的问题，要十分仔细，LinkedList中设计了许多的小函数，本例中就不设计那么多的小方法了，直接把最核心的代码都写到一个方法中。以方便揭示核心原理。

下面是完整的QLinkedList的源码，注释很清楚。

public class QLinkedList<T> {
    private QNode<T> first; //指向头节点
    private QNode<T> last;  //指向尾节点

    private int size;    //节点的个数

    //节点类
    public static class QNode<T> {
        T value;        //数据
        QNode<T> pre;   //指向上一个节点
        QNode<T> next;  //指向下一个节点


        public QNode(QNode<T> pre, QNode<T> next, T value) {
            this.pre = pre;     //节点的上一个指向
            this.next = next;   //节点的下一个指向
            this.value = value; //存放的数据
        }
    }

    public QLinkedList() {

        //默认是一个空狼链表，first,last都为null, 节点个数为0
        first = null;
        last = null;
        size = 0;
    }

    //默认添加到尾
    public void add(T e) {
        addLast(e);
    }

    //添加到头部
    public void addFirst(T e) {
        if (first == null && last == null) {
            QNode<T> node = new QNode<>(null, null, e);
            first = node;
            last = node;
        } else {
            QNode<T> node = new QNode<>(null, first, e);
            first.pre = node;
        }

        size++;
    }

    //添加到尾部,我们默认添加的都是不为null的数据
    public void addLast(T e) {
        if (e == null) {
            throw new RuntimeException("e == null");
        }

        //1 链表还是空的时候
        if (size == 0) {

            //1.1 新建一个节点，pre,next都为null
            QNode<T> node = new QNode(null, null, e);

            //1.2 只有一个节点，first,last都指向null
            first = node;
            last = node;


        //2 链表不为空
        } else {

            //2.1 新建一个节点，pre指向last最后一个节点，next为null(因为是最后一个节点)
            QNode<T> node = new QNode<>(last, null, e);

            //2.2 同时之前的最后一节点的next 指向新建的node节点
            last.next = node;

            //2.3 然后移动last，让last指向最后一个节点
            last = node;
        }

        //添加一个节点后，别忘了节点的总数加 1
        size++;
    }

    // position 从 0 开始
    // 这里面有个小技巧，可以先判断一下 position 是大于 size/2 还是小于 size/2
    // 如果 position > size / 2 , 说明position是在链表的后半段，我们可以从last开始往前遍历
    // 如果 position < size / 2, 说明position是在链表的前半段，我们可以从first开始往后遍历
    // 这样效率会高许多，这也是双链表的意义所在，我们这里就不这样做了。直接从前往后遍历
    // 读者可以自己实现，以加深对链表的理解
    public T get(int position) {
        // 不合法的position直接抛异常，让开发者直接定位问题
        if (position < 0 || position > size - 1) {
            throw new RuntimeException("invalid position");
        }

        // 如果链表为空，直接返回null
        if (size == 0) {
            return null;
        }

        // 如果链表只有一个节点，直接返回
        // 因为position合法性在前面已经验证过
        // 所以在这里面不用验证，一定是0
        if(size == 1){
            return first.value;
        }

        // 注意这个新建的 p 节点，p.next 指向的是 first
        // 这是为了下面的循环，保证 i == 0 的时候，p 指向第一个节点
        QNode<T> p = new QNode<>(null, first, null);
        for (int i = 0; i <= position; i++) {
            p = p.next;
        }

        //如果找到了，就返回value
        if (p != null) {
            return p.value;
        }

        //否则返回 null
        return null;
    }

    // 返回链表的节点总个数
    // 注意first和last节点只是帮助我们方便操作的
    // size可不包括first,last
    public int size() {
        return size;
    }

    // 删除一个元素，这里传的参数是 T e ，我们也可以传position进行删除，这里就不作演示了
    // 可以先调用上面的get()方法，返回对应的值，再调用此方法
    // 读者可以自己实现
    public T remove(T e) {
        //1 不合法，抛异常
        if (e == null) {
            throw new RuntimeException("e == null");
        }

        //2 链表为空，返回 null
        if (size == 0) {
            return null;
        }

        //2 如果链表只有一个节点
        if (size == 1) {
            QNode<T> node = first;

            //3 如果相等，删除节点 size-- ,并把first,last赋值为null
            if(e == node.value || e.equals(node.value)){
                first = last = null;
                size--;
                return node.value;
            }else {
                //4 不相等，返回null
                return null;
            }
        }

        // 如果链表大于1个节点，我们从前往后找value等于e的节点
        // 1 查找， 和get()方法一样，注意p的next指向first
        QNode<T> p = new QNode<>(null, first, null);
        boolean find = false;
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            p = p.next;

            if (p != null && (e == p.value || e.equals(p.value))) {
                find = true;
                break;
            }
        }

        // 2 如果找到了
        if (find) {
            // 2.1 如果找到的节点是最后一个节点
            // 删除的是最后一个
            if (p.next == null) {

                //2.2 改变last的值，指向p的前一个节点
                last = p.pre;

                //2.3 p的前一个节点，变成了最后一个节点，所以，前一个节点的next值赋值为null
                p.pre.next = null;

                //2.4 把p.pre赋值为null,已经没有用了
                p.pre = null;

                //2.5 别忘了节点个数减1
                size--;

                //2.6 返回删除的节点的value
                return p.value;

            //3.1 如果删除的是第一个节点（p.pre == null就表明是第一个节点）
            } else if (p.pre == null) {

                //3.2 改变first的指向，指向p的下一个节点
                first = p.next;

                //3.3 p的下一个节点变成了第一个节点，需要把p的下一个节点的pre指向为null
                p.next.pre = null;

                //3.4 p.next没有用了
                p.next = null;

                //3.5 别忘了节点个数减1
                size--;

                //3.6 返回删除的节点的value
                return p.value;


            // 4 如果删除的不是第一个也不是最后一个，是中间的某一个，这种情况最简单
            } else {

                //4.1 p的上一个节点的next需要指向p的下一个节点
                p.pre.next = p.next;

                //4.2 p 的下一个节点的pre需要指向p的上一个节点
                p.next.pre = p.pre;

                //4.3 此时p无用了，把p的pre,next赋值为null
                //这时候不需要调整first,last的位置
                p.pre = null;
                p.next = null;

                //4.4 别忘了节点个数减1
                size--;

                //4.5 返回删除的节点的value
                return p.value;
            }
        }

        //没有找到与e相等的节点，直接返回null
        return null;
    }

}

我们来测试一下QLinkedList，测试代码如下：

   public static void main(String[] args) {
        QLinkedList<String> list = new QLinkedList<>();
        list.add("one");
        list.add("two");
        list.add("three");
        list.add("four");

        System.out.println(list.size);
        for (int i = 0; i < list.size; i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }

        System.out.println("===================");

        System.out.println(list.remove("two"));
        System.out.println(list.size);
        for (int i = 0; i < list.size; i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }

输出如下：

4
one
two
three
four
===================
two
3
one
three
four

由此可见我们的QLinkedList可以正常的add,get,size,remove了。
建议可以参考一下JDK中的LinkedList。以加深对LinkedList的理解
明天手写HashMap的核心源码实现

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