Java集合的Queue和LinkedList怎么使用

這篇文章主要講解了“Java集合的Queue和LinkedList怎么使用”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“Java集合的Queue和LinkedList怎么使用”吧！

LinkedList

概述

LinkedList與ArrayList一樣實現List接口，只是ArrayList是List接口的大小可變數組的實現，LinkedList是List接口鏈表的實現。基于鏈表實現的方式使得LinkedList在插入和刪除時更優于ArrayList，而隨機訪問則比ArrayList遜色些。

LinkedList實現所有可選的列表操作，并允許所有的元素包括null。

除了實現 List 接口外，LinkedList 類還為在列表的開頭及結尾 get、remove 和 insert 元素提供了統一的命名方法。這些操作允許將鏈接列表用作堆棧、隊列或雙端隊列。

此類實現 Deque 接口，為 add、poll 提供先進先出隊列操作，以及其他堆棧和雙端隊列操作。

所有操作都是按照雙重鏈接列表的需要執行的。在列表中編索引的操作將從開頭或結尾遍歷列表（從靠近指定索引的一端）。

同時，與ArrayList一樣此實現不是同步的。

源碼分析

定義

首先我們先看LinkedList的定義：

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
      從這段代碼中我們可以清晰地看出LinkedList繼承AbstractSequentialList，實現List、Deque、Cloneable、Serializable。其中AbstractSequentialList提供了 List 接口的骨干實現，從而最大限度地減少了實現受“連續訪問”數據存儲（如鏈接列表）支持的此接口所需的工作,從而以減少實現List接口的復雜度。Deque一個線性 collection，支持在兩端插入和移除元素，定義了雙端隊列的操作。

屬性

在LinkedList中提供了兩個基本屬性size、header。

private transient Entryheader = new Entry(null, null, null);
private transient int size = 0;
其中size表示的LinkedList的大小，header表示鏈表的表頭，Entry為節點對象。

private static class Entry<E> {
    E element;        //元素節點
    Entry<E> next;    //下一個元素
    Entry<E> previous;  //上一個元素
    Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
        this.element = element;
        this.next = next;
        this.previous = previous;
    }
}
  上面為Entry對象的源代碼，Entry為LinkedList的內部類，它定義了存儲的元素。該元素的前一個元素、后一個元素，這是典型的雙向鏈表定義方式。

構造方法

LinkedList提供了兩個構造方法：LinkedList()和LinkedList(Collection<? extends E> c)。

/**
     *  構造一個空列表。
     */
    public LinkedList() {
        header.next = header.previous = header;
    }
    /**
     *  構造一個包含指定 collection 中的元素的列表，這些元素按其 collection 的迭代器返回的順序排列。
     */
    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }

LinkedList()構造一個空列表。里面沒有任何元素，僅僅只是將header節點的前一個元素、后一個元素都指向自身。

LinkedList(Collection<? extends E> c)： 構造一個包含指定 collection 中的元素的列表，這些元素按其 collection 的迭代器返回的順序排列。該構造函數首先會調用LinkedList()，構造一個空列表，然后調用了addAll()方法將Collection中的所有元素添加到列表中。以下是addAll()的源代碼：

/**
     *  添加指定 collection 中的所有元素到此列表的結尾，順序是指定 collection 的迭代器返回這些元素的順序。
     */
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        return addAll(size, c);
    }
/**
 * 將指定 collection 中的所有元素從指定位置開始插入此列表。其中index表示在其中插入指定collection中第一個元素的索引
 */
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    //若插入的位置小于0或者大于鏈表長度，則拋出IndexOutOfBoundsException異常
    if (index < 0 || index > size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;    //插入元素的個數
    //若插入的元素為空，則返回false
    if (numNew == 0)
        return false;
    //modCount:在AbstractList中定義的，表示從結構上修改列表的次數
    modCount++;
    //獲取插入位置的節點，若插入的位置在size處，則是頭節點，否則獲取index位置處的節點
    Entry<E> successor = (index == size ? header : entry(index));
    //插入位置的前一個節點，在插入過程中需要修改該節點的next引用：指向插入的節點元素
    Entry<E> predecessor = successor.previous;
    //執行插入動作
    for (int i = 0; i < numNew; i++) {
        //構造一個節點e，這里已經執行了插入節點動作同時修改了相鄰節點的指向引用
        //
        Entry<E> e = new Entry<E>((E) a[i], successor, predecessor);
        //將插入位置前一個節點的下一個元素引用指向當前元素
        predecessor.next = e;
        //修改插入位置的前一個節點，這樣做的目的是將插入位置右移一位，保證后續的元素是插在該元素的后面，確保這些元素的順序
        predecessor = e;
    }
    successor.previous = predecessor;
    //修改容量大小
    size += numNew;
    return true;
}
  在addAll()方法中，涉及到了兩個方法，一個是entry(int index)，該方法為LinkedList的私有方法，主要是用來查找index位置的節點元素。
/**
     * 返回指定位置(若存在)的節點元素
     */
    private Entry<E> entry(int index) {
        if (index < 0 || index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: "
                    + size);
        //頭部節點
        Entry<E> e = header;
        //判斷遍歷的方向
        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;
    }

從該方法有兩個遍歷方向中我們也可以看出LinkedList是雙向鏈表，這也是在構造方法中為什么需要將header的前、后節點均指向自己。

如果對數據結構有點了解，對上面所涉及的內容應該問題，我們只需要清楚一點：LinkedList是雙向鏈表，其余都迎刃而解。

由于篇幅有限，下面將就LinkedList中幾個常用的方法進行源碼分析。

增加方法

  add(E e): 將指定元素添加到此列表的結尾。
public boolean add(E e) {
    addBefore(e, header);
        return true;
    }
      該方法調用addBefore方法，然后直接返回true，對于addBefore()而已，它為LinkedList的私有方法。
private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
        //利用Entry構造函數構建一個新節點 newEntry，
        Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
        //修改newEntry的前后節點的引用，確保其鏈表的引用關系是正確的
        newEntry.previous.next = newEntry;
        newEntry.next.previous = newEntry;
        //容量+1
        size++;
        //修改次數+1
        modCount++;
        return newEntry;
    }

在addBefore方法中無非就是做了這件事：構建一個新節點newEntry，然后修改其前后的引用。

LinkedList還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<? extends E> c)：添加指定 collection 中的所有元素到此列表的結尾，順序是指定 collection 的迭代器返回這些元素的順序。
  addAll(int index, Collection<? extends E> c)：將指定 collection 中的所有元素從指定位置開始插入此列表。
  AddFirst(E e): 將指定元素插入此列表的開頭。
  addLast(E e): 將指定元素添加到此列表的結尾。

移除方法

  remove(Object o)：從此列表中移除首次出現的指定元素（如果存在）。該方法的源代碼如下：
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;
    }

該方法首先會判斷移除的元素是否為null，然后迭代這個鏈表找到該元素節點，最后調用remove(Entrye)，remove(Entrye)為私有方法，是LinkedList中所有移除方法的基礎方法，如下：

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;
        //將該節點的前一節點的next指向該節點后節點
        e.previous.next = e.next;
        //將該節點的后一節點的previous指向該節點的前節點
        //這兩步就可以將該節點從鏈表從除去：在該鏈表中是無法遍歷到該節點的
        e.next.previous = e.previous;
        //將該節點歸空
        e.next = e.previous = null;
        e.element = null;
        size--;
        modCount++;
        return result;
    }

其他的移除方法：

  clear()： 從此列表中移除所有元素。
  remove()：獲取并移除此列表的頭（第一個元素）。
  remove(int index)：移除此列表中指定位置處的元素。
  remove(Objec o)：從此列表中移除首次出現的指定元素（如果存在）。
  removeFirst()：移除并返回此列表的第一個元素。
  removeFirstOccurrence(Object o)：從此列表中移除第一次出現的指定元素（從頭部到尾部遍歷列表時）。
  removeLast()：移除并返回此列表的最后一個元素。
  removeLastOccurrence(Object o)：從此列表中移除最后一次出現的指定元素（從頭部到尾部遍歷列表時）。

查找方法

  對于查找方法的源碼就沒有什么好介紹了，無非就是迭代，比對，然后就是返回當前值。
  get(int index)：返回此列表中指定位置處的元素。
  getFirst()：返回此列表的第一個元素。
  getLast()：返回此列表的最后一個元素。
  indexOf(Object o)：返回此列表中首次出現的指定元素的索引，如果此列表中不包含該元素，則返回 -1。
  lastIndexOf(Object o)：返回此列表中最后出現的指定元素的索引，如果此列表中不包含該元素，則返回 -1。

Queue

Queue接口定義了隊列數據結構，元素是有序的(按插入順序)，先進先出。Queue接口相關的部分UML類圖如下：

DeQueue

DeQueue(Double-ended queue)為接口，繼承了Queue接口，創建雙向隊列，靈活性更強，可以前向或后向迭代，在隊頭隊尾均可心插入或刪除元素。它的兩個主要實現類是ArrayDeque和LinkedList。

ArrayDeque （底層使用循環數組實現雙向隊列）

創建

public ArrayDeque() {
   // 默認容量為16
   elements = new Object[16];
}
public ArrayDeque(int numElements) {
   // 指定容量的構造函數
   allocateElements(numElements);
}
private void allocateElements(int numElements) {
        int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;// 最小容量為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，擴大成2的冪（是為了維護頭、尾下標值）；否則使用最小容量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) 調用 addLast(E e) 方法：
public void addLast(E e) {
   if (e == null)
      throw new NullPointerException("e == null");
   elements[tail] = e; // 根據尾索引，添加到尾端
   // 尾索引+1，并與數組（length - 1）進行取‘&’運算，因為length是2的冪，所以（length-1）轉換為2進制全是1，
   // 所以如果尾索引值 tail 小于等于（length - 1），那么‘&’運算后仍為 tail 本身；如果剛好比（length - 1）大1時，
   // ‘&’運算后 tail 便為0（即回到了數組初始位置）。正是通過與（length - 1）進行取‘&’運算來實現數組的雙向循環。
   // 如果尾索引和頭索引重合了，說明數組滿了，進行擴容。
   if ((tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
      doubleCapacity();// 擴容為原來的2倍
}
addFirst(E e) 的實現：
public void addFirst(E e) {
   if (e == null)
      throw new NullPointerException("e == null");
   // 此處如果head為0，則-1（1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111）與（length - 1）進行取‘&’運算，結果必然是（length - 1），即回到了數組的尾部。
   elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
   // 如果尾索引和頭索引重合了，說明數組滿了，進行擴容
   if (head == tail)
      doubleCapacity();
}

remove操作

remove()方法最終都會調對應的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
        // 頭索引 + 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（底層用數組實現堆的結構）

優先隊列跟普通的隊列不一樣，普通隊列是一種遵循FIFO規則的隊列，拿數據的時候按照加入隊列的順序拿取。 而優先隊列每次拿數據的時候都會拿出優先級最高的數據。

優先隊列內部維護著一個堆，每次取數據的時候都從堆頂拿數據（堆頂的優先級最高），這就是優先隊列的原理。

add 添加方法

public boolean add(E e) {
    return offer(e); // add方法內部調用offer方法
}
public boolean offer(E e) {
    if (e == null) // 元素為空的話，拋出NullPointerException異常
        throw new NullPointerException();
    modCount++;
    int i = size;
    if (i >= queue.length) // 如果當前用堆表示的數組已經滿了，調用grow方法擴容
        grow(i + 1); // 擴容
    size = i + 1; // 元素個數+1
    if (i == 0) // 堆還沒有元素的情況
        queue[0] = e; // 直接給堆頂賦值元素
    else // 堆中已有元素的情況
        siftUp(i, e); // 重新調整堆，從下往上調整，因為新增元素是加到最后一個葉子節點
    return true;
}
private void siftUp(int k, E x) {
    if (comparator != null)  // 比較器存在的情況下
        siftUpUsingComparator(k, x); // 使用比較器調整
    else // 比較器不存在的情況下
        siftUpComparable(k, x); // 使用元素自身的比較器調整
}
private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
    while (k > 0) { // 一直循環直到父節點還存在
        int parent = (k - 1) >>> 1; // 找到父節點索引，等同于（k - 1）/ 2
        Object e = queue[parent]; // 獲得父節點元素
        // 新元素與父元素進行比較，如果滿足比較器結果，直接跳出，否則進行調整
        if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0) 
            break;
        queue[k] = e; // 進行調整，新位置的元素變成了父元素
        k = parent; // 新位置索引變成父元素索引，進行遞歸操作
    }
    queue[k] = x; // 新添加的元素添加到堆中
}

poll，出隊方法

public E poll() {
    if (size == 0)
        return null;
    int s = --size; // 元素個數-1
    modCount++;
    E result = (E) queue[0]; // 得到堆頂元素
    E x = (E) queue[s]; // 最后一個葉子節點
    queue[s] = null; // 最后1個葉子節點置空
    if (s != 0)
        siftDown(0, x); // 從上往下調整，因為刪除元素是刪除堆頂的元素
    return result;
}
private void siftDown(int k, E x) {
    if (comparator != null) // 比較器存在的情況下
        siftDownUsingComparator(k, x); // 使用比較器調整
    else // 比較器不存在的情況下
        siftDownComparable(k, x); // 使用元素自身的比較器調整
}
private void siftDownUsingComparator(int k, E x) {
    int half = size >>> 1; // 只需循環節點個數的一般即可
    while (k < half) {
        int child = (k << 1) + 1; // 得到父節點的左子節點索引，即（k * 2）+ 1
        Object c = queue[child]; // 得到左子元素
        int right = child + 1; // 得到父節點的右子節點索引
        if (right < size &&
            comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0) // 左子節點跟右子節點比較，取更大的值
            c = queue[child = right];
        if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)  // 然后這個更大的值跟最后一個葉子節點比較
            break;
        queue[k] = c; // 新位置使用更大的值
        k = child; // 新位置索引變成子元素索引，進行遞歸操作
    }
    queue[k] = x; // 最后一個葉子節點添加到合適的位置
}

remove，刪除隊列元素

public boolean remove(Object o) {
    int i = indexOf(o); // 找到數據對應的索引
    if (i == -1) // 不存在的話返回false
        return false;
    else { // 存在的話調用removeAt方法，返回true
        removeAt(i);
        return true;
    }
}
private E removeAt(int i) {
    modCount++;
    int s = --size; // 元素個數-1
    if (s == i) // 如果是刪除最后一個葉子節點
        queue[i] = null; // 直接置空，刪除即可，堆還是保持特質，不需要調整
    else { // 如果是刪除的不是最后一個葉子節點
        E moved = (E) queue[s]; // 獲得最后1個葉子節點元素
        queue[s] = null; // 最后1個葉子節點置空
        siftDown(i, moved); // 從上往下調整
        if (queue[i] == moved) { // 如果從上往下調整完畢之后發現元素位置沒變，從下往上調整
            siftUp(i, moved); // 從下往上調整
            if (queue[i] != moved)
                return moved;
        }
    }
    return null;
}

先執行 siftDown() 下濾過程：

再執行 siftUp() 上濾過程：

總結和同步的問題

1、jdk內置的優先隊列PriorityQueue內部使用一個堆維護數據，每當有數據add進來或者poll出去的時候會對堆做從下往上的調整和從上往下的調整。

2、PriorityQueue不是一個線程安全的類，如果要在多線程環境下使用，可以使用 PriorityBlockingQueue 這個優先阻塞隊列。其中add、poll、remove方法都使用 ReentrantLock 鎖來保持同步，take() 方法中如果元素為空，則會一直保持阻塞。

感謝各位的閱讀，以上就是“Java集合的Queue和LinkedList怎么使用”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對Java集合的Queue和LinkedList怎么使用這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！