Queue 相关数据结构的原理与实现 (LinkedList, ArrayDeque, PriorityQueue)

版权声明:本文为博主原创文章,未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/ajianyingxiaoqinghan/article/details/82670681

参考地址:
《Java集合详解2:LinkedList和Queue》
《Java ArrayDeque实现Stack的功能》
《java数据结构—-堆》
《深入理解Java PriorityQueue》


前言及概述

:本文是基于的 HowToPlayLife 的博文《Java集合详解2:LinkedList和Queue》为基础而写的。

LinkedList与ArrayList一样实现List接口,只是ArrayList是List接口的大小可变数组的实现,LinkedList是List接口链表的实现。基于链表实现的方式使得LinkedList在插入和删除时更优于ArrayList,而随机访问则比ArrayList逊色些。
LinkedList实现所有可选的列表操作,并允许所有的元素包括null。
除了实现 List 接口外,LinkedList 类还为在列表的开头及结尾 get、remove 和 insert 元素提供了统一的命名方法。这些操作允许将链接列表用作堆栈、队列或双端队列。
此类实现 Deque 接口,为 add、poll 提供先进先出队列操作,以及其他堆栈和双端队列操作。
所有操作都是按照双重链接列表的需要执行的。在列表中编索引的操作将从开头或结尾遍历列表(从靠近指定索引的一端)。
同时,与ArrayList一样此实现不是同步的。
(以上摘自JDK 6.0 API)。

一. 源码分析

1.1 定义

首先我们先看LinkedList的定义:

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

从这段代码中我们可以清晰地看出,LinkedList 继承 AbstractSequentialList,实现List、Deque、Cloneable、Serializable:

  • AbstractSequentialList: 提供了 List 接口的骨干实现,从而最大限度地减少了实现受“连续访问”数据存储(如链接列表)支持的此接口所需的工作,从而以减少实现 List 接口的复杂度;
  • Deque: 一个线性 collection,支持在两端插入和移除元素,定义了双端队列的操作。

1.2 属性

在 LinkedList 中提供了两个基本属性 size、header。

private transient Entry header = new Entry(null, null, null); 
private transient int size = 0; 

其中 size 表示的 LinkedList 的大小,header 表示链表的表头,Entry 为节点对象。

private static class Entry<E> {
    E element;        //元素节点
    Entry<E> next;    //下一个元素
    Entry<E> previous;  //上一个元素

    Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
        this.element = element;
        this.next = next;
        this.previous = previous;
    }
}

上面为 Entry 对象的源代码,Entry 为 LinkedList 的内部类,它定义了存储的元素。该元素的前一个元素、后一个元素,这是典型的双向链表定义方式。

1.3 构造方法

LinkedList提供了两个构造方法:LinkedList() 和 LinkedList(Collection)。

1.4 增加方法

  • add(E e): 将指定元素添加到此列表的结尾。
    // 该方法调用addBefore方法,然后直接返回true,对于addBefore()而已,它为LinkedList的私有方法。
    public boolean add(E e) {
        addBefore(e, header);
        return true;
    }

    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
        //利用Entry构造函数构建一个新节点 newEntry,
        Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
        //修改newEntry的前后节点的引用,确保其链表的引用关系是正确的
        newEntry.previous.next = newEntry;
        newEntry.next.previous = newEntry;
        //容量+1
        size++;
        //修改次数+1
        modCount++;
        return newEntry;
    }

在 addBefore 方法中无非就是做了这件事:构建一个新节点 newEntry,然后修改其前后的引用。
LinkedList还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

1.5 移除方法

  • remove(Object o):从此列表中移除首次出现的指定元素(如果存在)。该方法的源代码如下:
    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;
    }

该方法首先会判断移除的元素是否为 null,然后迭代这个链表找到该元素节点,最后调用remove(Entry e),remove(Entry e) 为私有方法,是 LinkedList 中所有移除方法的基础方法,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;

        //将该节点的前一节点的next指向该节点后节点
        e.previous.next = e.next;
        //将该节点的后一节点的previous指向该节点的前节点
        //这两步就可以将该节点从链表从除去:在该链表中是无法遍历到该节点的
        e.next.previous = e.previous;
        //将该节点归空
        e.next = e.previous = null;
        e.element = null;
        size--;
        modCount++;
        return result;
    }

其他的移除方法:

  • clear(): 从此列表中移除所有元素。
  • remove(): 获取并移除此列表的头(第一个元素)。
  • remove(int index): 移除此列表中指定位置处的元素。
  • remove(Objec o): 从此列表中移除首次出现的指定元素(如果存在)。
  • removeFirst(): 移除并返回此列表的第一个元素。
  • removeFirstOccurrence(Object o): 从此列表中移除第一次出现的指定元素(从头部到尾部遍历列表时)。
  • removeLast(): 移除并返回此列表的最后一个元素。
  • removeLastOccurrence(Object o): 从此列表中移除最后一次出现的指定元素(从头部到尾部遍历列表时)。

1.6 查找方法

对于查找方法的源码就没有什么好介绍了,无非就是迭代,比对,然后就是返回当前值。

  • get(int index): 返回此列表中指定位置处的元素。
  • getFirst(): 返回此列表的第一个元素。
  • getLast(): 返回此列表的最后一个元素。
  • indexOf(Object o): 返回此列表中首次出现的指定元素的索引,如果此列表中不包含该元素,则返回 -1。
  • lastIndexOf(Object o): 返回此列表中最后出现的指定元素的索引,如果此列表中不包含该元素,则返回 -1。

二. Queue

Queue 接口定义了队列数据结构,元素是有序的(按插入顺序),先进先出。Queue 接口相关的部分 UML 类图如下:
Queue接口相关的部分UML类图

2.1 Deque

Deque (Double-ended queue) 为接口,继承了 Queue 接口,创建双向队列,灵活性更强,可以前向或后向迭代,在队头队尾均可插入或删除元素。它的两个主要实现类是 ArrayDeque 和 LinkedList。

Deque 接口源码如下:

package java.util;
public interface Deque<E> extends Queue<E> {
    void addFirst(E e);
    void addLast(E e);
    boolean offerFirst(E e);
    boolean offerLast(E e);
    E removeFirst();
    E removeLast();
    E pollFirst();
    E pollLast();
    E getFirst();
    E getLast();
    E peekFirst();
    E peekLast();
    boolean removeLastOccurrence(Object o);

    // *** Queue methods ***
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E element();
    E peek();

    // *** Stack methods ***
    void push(E e);
    E pop();

    // *** Collection methods ***
    boolean remove(Object o);
    boolean contains(Object o);
    public int size();
    Iterator<E> iterator();
    Iterator<E> descendingIterator();
}

2.2 ArrayDeque

ArrayDeque 在 CarpenterLee 的博文 《Java ArrayDeque源码剖析》 中做了很详尽的解释,可参考该博客。

在 JDK 1.0/1.1 中提供了栈 (Stack) 的定义,但该方法已经过时了。通过 ArrayDeque 可以用较高效的方法实现栈。
例如创建一个存放 Integer 类型的 Stack,只要在类中创建一个 ArrayDeque 类的变量作为属性,之后定义的出栈、入栈,观察栈顶元素的操作就直接操作 ArrayDeque 的实例变量即可,源码如下:

import java.util.ArrayDeque; 
import java.util.Deque; 

public class IntegerStack { 
  private Deque<Integer> data = new ArrayDeque<Integer>(); 

  public void push(Integer element) { 
    data.addFirst(element); 
  } 

  public Integer pop() { 
    return data.removeFirst(); 
  } 

  public Integer peek() { 
    return data.peekFirst(); 
  } 

  public String toString() { 
    return data.toString(); 
  } 

  public static void main(String[] args) { 
    IntegerStack stack = new IntegerStack(); 
    for (int i = 0; i < 5; i++) { 
      stack.push(i); 
    } 
    System.out.println(stack); 
    System.out.println("After pushing 5 elements: " + stack); 
    int m = stack.pop(); 
    System.out.println("Popped element = " + m); 
    System.out.println("After popping 1 element : " + stack); 
    int n = stack.peek(); 
    System.out.println("Peeked element = " + n); 
    System.out.println("After peeking 1 element : " + stack); 
  } 
}  

2.3 PriorityQueue

PriorityQueue 即优先队列。优先队列的作用是能保证每次取出的元素都是队列中权值最小的(Java 的优先队列每次取最小元素,C++ 的优先队列每次取最大元素)。这里牵涉到了大小关系,元素大小的评判可以通过元素本身的自然顺序(natural ordering),也可以通过构造时传入的比较器(Comparator,类似于C++的仿函数)。

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/ajianyingxiaoqinghan/article/details/82670681