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LinkedList的了解

article 2024/12/2 1:24:18

一、`LinkedList`的定义与类型

Java中的LinkedList类是一个双向链表（Doubly Linked List）。与单向链表（Singly Linked List）不同，双向链表中的每个节点不仅包含指向下一个节点的引用，还包含指向前一个节点的引用。这使得双向链表在执行某些操作时，如插入、删除和遍历，表现出更高的灵活性。

具体来说，LinkedList类的定义如下：

	`public class LinkedList<E>`
	`extends AbstractSequentialList<E>`
	`implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable`

LinkedList实现了List接口，提供了所有标准的列表操作，并附加了一个双端队列（Deque）的功能。这得益于其内部使用双向链表的结构。

二、双向链表与单向链表的对比

为了更好地理解LinkedList，我们可以将其与单向链表进行对比。

1. 单向链表（Singly Linked List）

单向链表中的每个节点只包含数据和指向下一个节点的引用。这种结构使得单向链表在插入和删除操作时需要从头节点开始遍历，找到目标位置。遍历也只能从头节点开始，向尾节点方向进行。

优点：
- 结构简单，节省内存（每个节点只包含一个引用）。
- 插入和删除操作（在已知位置）时间复杂度为O(1)。
缺点：
- 遍历效率低，需要从头节点开始。
- 无法在O(1)时间内访问前一个节点。

2. 双向链表（Doubly Linked List）

双向链表中的每个节点包含数据、指向下一个节点的引用以及指向前一个节点的引用。这种结构使得双向链表在插入、删除和遍历操作上更加灵活。

优点：
- 可以在O(1)时间内访问前一个节点，使得双向遍历成为可能。
- 插入和删除操作（在已知位置）时间复杂度仍为O(1)。
缺点：
- 每个节点需要额外存储一个引用，占用更多内存。

三、`LinkedList`的设计与实现

Java中的LinkedList基于双向链表的设计，使得它在处理列表操作时表现出色。下面是一些关键点的详细分析。

1. 节点结构

LinkedList中的节点类Node<E>定义如下：

	`private static class Node<E> {`
	`E item;`
	`Node<E> next;`
	`Node<E> prev;`

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

每个节点包含三个元素：数据item、指向下一个节点的引用next和指向前一个节点的引用prev。

2. 头节点和尾节点

LinkedList类内部维护了两个指针：first和last，分别指向链表的头节点和尾节点。

	`transient Node<E> first;`
	`transient Node<E> last;`

这种设计使得在链表的两端进行插入和删除操作变得非常高效。

3. 主要操作实现

添加元素：
- 在链表头部添加元素时，新节点成为新的头节点，其next指向原来的头节点，原来的头节点的prev指向新节点。
- 在链表尾部添加元素时，新节点成为新的尾节点，其prev指向原来的尾节点，原来的尾节点的next指向新节点。
删除元素：
- 删除头节点时，将头节点指向下一个节点，并将下一个节点的prev设置为null。
- 删除尾节点时，将尾节点指向上一个节点，并将上一个节点的next设置为null。
- 删除中间节点时，需要调整前后节点的引用。
遍历：
- 可以从头节点开始，通过next引用遍历到尾节点。
- 也可以从尾节点开始，通过prev引用遍历到头节点。

四、性能特性

由于LinkedList基于双向链表的设计，其性能特性具有以下特点：

时间复杂度：
- 插入和删除操作（在已知位置）的时间复杂度为O(1)。
- 查找操作的时间复杂度为O(n)，因为需要从头节点或尾节点开始遍历。
空间复杂度：
- 每个节点需要额外的内存来存储指向前一个节点的引用，相比单向链表，内存开销更大。

五、内存使用

LinkedList的内存使用相对较高，主要体现在以下几个方面：

节点对象：每个节点都是一个对象，包含数据、两个引用（next和prev）以及可能的对象头（用于垃圾回收等）。
链表指针：LinkedList类本身还需要维护头节点和尾节点的指针。
间隙空间：由于链表节点在内存中是不连续的，可能存在间隙空间，导致内存碎片。

六、实际应用

LinkedList在实际应用中有着广泛的应用场景，例如：

栈（Stack）：LinkedList可以作为栈的实现，利用addFirst和removeFirst方法实现“后进先出”的特性。
队列（Queue）：虽然LinkedList提供了addLast和removeFirst方法，可以作为队列的基本操作，但通常建议使用ArrayDeque或LinkedList的Deque接口实现，因为它们的性能更高。
双向队列（Deque）：LinkedList实现了Deque接口，可以方便地在两端进行插入和删除操作。
集合操作：LinkedList实现了List接口，可以作为集合容器，存储和操作一组元素。

七、总结

Java中的LinkedList是一个基于双向链表的数据结构，它提供了高效的插入、删除和双向遍历操作。尽管其内存开销相对较高，但在许多场景下，LinkedList的灵活性和高效性使其成为首选的数据结构。通过深入了解LinkedList的设计原理、性能特性和实际应用，我们可以更好地利用这一强大的数据结构，优化程序的性能和效率。

通过上述分析，我们可以清晰地看到，LinkedList在Java中是一个双向链表，这一特性使其在处理各种列表操作时表现出色。希望这篇文章能帮助你更好地理解LinkedList，并在实际编程中做出明智的选择。

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