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LinkedList(鏈表)

2021-01-02 06:20:27 後端開發

介紹

  • 本篇是關于鏈表LinkedList的初步介紹,

特點

  • 底層原理:用于表示鏈接的物件Node<E>,其中存放著上下鏈接物件以及物件E,此鏈表是雙向鏈表
  • 優點:插入和洗掉元素快;
  • 缺點:查找元素慢,修改元素的速度由查找速度決定,本質上修改即等同于查找后替換,
    • 如果是通過索引index查找值,代碼底層只都會從鏈表的一半中查找;
    • 如果需要通過值value來查找值,代碼底層會對鏈表進行迭代,

鏈表結構

  • 陣列Array和陣列串列ArrayList有一個重大的缺陷:從陣列中間洗掉一個元素的開銷很大,如果洗掉一個元素,那么對應的陣列中位于被刪元素之后的所有元素都要向陣列前端移動,同樣的,向陣列中插入一個元素也是如此,

  • 對于大部分的業務情況而言,我們使用集合是因為要用來保存資料,當取用資料的時候,往往需要同時從存盤媒介中剔除該已取用的資料,這個時候無論使用Array還是ArrayList都會影響程式的性能,
  • 除了陣列結構外,Java也提供了另一種資料結構鏈表的實作LinkedList,鏈表結構可以實作元素的快速增刪,
  • 陣列是在連續的存盤位置上存放物件參考,而鏈表則是將每個物件存放在單獨的鏈接link中,
  • 每個鏈接link還存放著序列中的下一個鏈接link的參考,如下圖結構所示:

  • Java程式設計語言中,所有鏈表LinkedList實際上都是雙向鏈接doubly linked,即每個鏈接link還存放著其前驅的參考,鏈表是一個有序集合ordered collection,每個物件的位置十分重要,
  • 通過LinkedList.add方法,可以將物件添加到鏈表的尾部,但是通常需要將元素添加到鏈表的中間,由于迭代器描述了集合中的位置,所以這種依賴于位置的add方法將由迭代器負責,只有對自然有序的集合使用迭代器添加元素才有實際意義,
  • Iterator介面中包含了四個方法:
    • hasNext():等待實作;
    • next():等待實作;
    • remove():拋出UnsupportedOperationException("remove")例外;
    • forEachRemaining:用于迭代當前Iterator物件并取用其中元素的方法,類似于forEach()
package java.util;

import java.util.function.Consumer;
public interface Iterator<E> {
    
    boolean hasNext();
    
    E next();
    
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }
    
    default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}
  • 集合類別庫則提供了一個Iterator介面的子類介面ListIterator,其中增加了一些方法:
    • hasPrevious()
    • previous()
    • nextIndex()
    • previousIndex()
    • set(E e)
    • add(E e)
package java.util;

public interface ListIterator<E> extends Iterator<E> {

    boolean hasNext();

    E next();

    boolean hasPrevious();

    E previous();

    int nextIndex();

    int previousIndex();

    void remove();

    void set(E e);

    void add(E e);
}
  • ListIterator<E>中一個較為有趣的地方是,該介面重新定義了一個remove()方法,那么所有實作該介面的類就必須要覆寫remove()方法,同時該介面的父類介面Iterator<E>中的默認方法remove()也等同于被廢棄,
  • 在進行相關方法比較前,需要了解一下鏈表LinkedList的構成,鏈表中有一個私有靜態內部類Node<E>,這個類就相當于鏈表中的鏈接link,原始碼如下:
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;
    }
}
  • 鏈接link中除了封裝當前物件元素element之后,還封裝了上一個鏈接的物件參考prev與下一個鏈接的物件參考next
  • 眾所周知,外部類是可以隨意訪問其成員內部類中的成員變數、成員方法而不受任何權限修飾符的限制,因此在LinkedList中可以使用Node<E>.filed的格式,獲取到鏈表中當前位置物件、上一個物件的鏈接及下一個物件的鏈接,
  • 鏈表LinkedList中還包含了一個方法node(int index),原始碼如下:
Node<E> node(int index) {
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}
  • 其中size為成員變數,記錄了當前鏈表長度,鏈表方法size()的呼叫將回傳size
  • 方法node(int index)接收一個int型別作為引數,它將回傳指定索引位index上的Node物件,注意,它每次只會從當前鏈表中的前半部分或后半部分去找,
  • 有符號右移位運算子>>右移1位等同于(int) Math.floor(size / 2),即node(int index)會首先計算出index處于當前鏈表的前半部還是后半部,之后才會根據計算結果分別進行正序或倒序遍歷,
  • 關于位移運算子的計算,可以參考以下代碼:
package cn.dylanphang;

/**
 * @author dylan
 */
public class BitOperator2 {

    public static void main(String[] args) {
        // m進行有符號右移n位相當于(int) Math.floor(m / Math.pow(2, n))
        // 關于-7,采用8位解釋,運算前需要求出反碼和補碼,對補碼進行有符號右移,高位補1,之后得到原碼,結算得到結果:
        // 十進制-7的原碼為:1000 0111,計算其補碼為:1111 1001,右移一位:1111 1100,計算原碼:1000 0100
        // 因此十進制結果為:-4
        System.out.println(7 >> 1);
        System.out.println(-7 >> 1);
    }
}

關于add方法

  • LinkedListAPI中,提供了一個方法add(int index, E element),而ListIterator物件中的add方法也可以向鏈表中添加元素,那么其本質是否一致呢?
  • 關于方法add(int index, E element),原始碼如下:
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}
  • 方法linkLast()會在當前鏈表末尾追加一個元素element,而linkBefore(E element, Node<E> succ)會在鏈接succ物件之前添加element元素,以下為linkLast()linkBefore()的原始碼:
/**
 * Links e as last element.
 */
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

/**
 * Inserts element e before non-null Node succ.
 */
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    final Node<E> pred = succ.prev;
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
  • 實際中使用最多的獲取ListIterator物件的方法,是linkedList.listIterator(),但LinkedList中并沒有找到該方法的空參形式,僅有以下方法被定義在LinkedList中用于回傳ListIterator<E>物件:
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
    checkPositionIndex(index);
    return new ListItr(index);
}
  • 無疑該方法是通過繼承或實作的方式,從父類或介面處獲取的,通過閱讀原始碼,可以發現無參的listIterator()方法被定義在介面List<E>中,而該方法被介面AbstractList<E>覆寫為以下形式:
public ListIterator<E> listIterator() {
    return listIterator(0);
}
  • 以下為LinkedList<E>AbstractSequentialList<E>AbstractList<E>List<E>的部分原始碼:
public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable { 
	public ListIterator<E> listIterator(int index) {
        checkPositionIndex(index);
        return new ListItr(index);
    }
    
    private class ListItr implements ListIterator<E> { ... }
}
public abstract class AbstractSequentialList<E> extends AbstractList<E> { 
    public Iterator<E> iterator() {
        return listIterator();
    }

    public abstract ListIterator<E> listIterator(int index);
}
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> { 
    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }

    public ListIterator<E> listIterator() {
        return listIterator(0);
    }
    
    public ListIterator<E> listIterator(final int index) {
        rangeCheckForAdd(index);

        return new ListItr(index);
    }
    
    private class Itr implements Iterator<E> { ... }

    private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> { ... }
}
public interface List<E> extends Collection<E> {
    Iterator<E> iterator();
    
    ListIterator<E> listIterator();

    ListIterator<E> listIterator(int index);
}
  • 那么一個完整的呼叫流程是:
    • linkedList.listIterator() -> AbstractList.listIterator() -> this.listIterator(0)
  • 即使用linkedList.listIterator()等同于使用了linkedList.listIterator(0)
  • 那么listIterator中如何實作add(E element)方法呢?原始碼如下:
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
    checkPositionIndex(index);
    return new ListItr(index);
}

private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned; // 這個成員變數將記錄最后一次cursor跳過的那個鏈接Node,remove()方法依賴于它來洗掉鏈接Node
    private Node<E> next; // 從構造器方法可以看出,這個就是等于index為0的鏈接Node或者鏈表為空的時候它等于null
    private int nextIndex; // 記錄當前cursor所指向位置后的那個索引
    private int expectedModCount = modCount; // 記錄當前鏈表被操作的次數,呼叫此類中的大部分方法會使此操作數+1

    ListItr(int index) {
        // assert isPositionIndex(index);
        next = (index == size) ? null : node(index);
        nextIndex = index;
    }

    public void add(E e) {
        checkForComodification();
        lastReturned = null;
        if (next == null)
            linkLast(e);
        else
            linkBefore(e, next);
        nextIndex++;
        expectedModCount++;
    }
    
    final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
    }
}
  • 重新貼一下LinkedList中的add(int index, E element)方法的原始碼:
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

private void checkPositionIndex(int index) {
        if (!isPositionIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

private boolean isPositionIndex(int index) {
        return index >= 0 && index <= size;
}
  • 比較兩者,可以知道其中的大部分邏輯是一樣的,
  • 其中不太相同的只有判斷是否到達鏈表末尾的邏輯:前者通過判斷下一個鏈接物件參考next是否為null,來判定此時迭代器是否位于鏈表的尾部;而后者通過判斷當前索引是否等于鏈表的長度,來判定此時迭代器是否位于鏈表的尾部,

執行緒不安全

  • 使用add(int index, E element)向鏈表末尾添加元素即等同于呼叫linkLast(E e)方法,而鏈表提供的add(E e)方法也是呼叫linkLast(E e)方法用于添加元素,以下將使用add(E e)作一個執行緒不安全的測驗,
  • 總所周知,LinkedList是執行緒不安全的,即允許多個執行緒同時對它進行操作,那么想象以下場景:
    1. 假設有兩個執行緒同時對長度大于2的鏈表A進行添加元素的操作,使用add(E element)方法;
    2. 此時兩個執行緒都需要在鏈表末尾添加一個元素,假如兩個執行緒一前一后進入linkBefore(E e)
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
  • 此時添加操作不會出現任何例外,但這可能會導致一個嚴重問題:插入鏈表的兩個元素的下一個鏈接next都會指向null,而上一個鏈接則均會指向last,而last中所指向的下一個鏈接則指向執行緒較慢時所插入的元素,
  • 雖然看似沒有例外,但對于鏈表來說卻是災難性的錯誤,鏈表元素中的鏈接指向出錯,將直接導致迭代器無法作業,
  • 以下測驗中,會開啟5000個執行緒,同時對成員變數linkedList進行插入操作,程式將輸出以下日志資訊:
    • this.counter:計算向linkedList中添加元素的有效次數,確保不是因為例外導致添加元素失敗;
    • this.linkedList.size():鏈表長度;
    • e.getClass().getSimpleName():迭代如果出現例外,則列印例外的名字;
    • currentIndex:例外出現在哪個鏈接之后,
package cn.dylanphang;

import cn.dylanphang.util.ThreadUtils;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.util.LinkedList;
import java.util.ListIterator;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * @author dylan
 * @date 2021/01/01
 */
@Slf4j
public class LinkedListTest {

    private static final int CONCURRENT_TIMES = 5000;

    private final CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(CONCURRENT_TIMES);
    private final CountDownLatch testCdl = new CountDownLatch(CONCURRENT_TIMES);
    private final LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();

    private int counter = 0;

    /**
     * 由于無法控制LinkedList中的程式流程,采用高并發插入資料的方式去為同一個LinkedList添加元素,
     */
    @Test
    public void test() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < CONCURRENT_TIMES; i++) {
            final String content = i + "";
            ThreadUtils.create(() -> {
                try {
                    this.cdl.await();
                    Thread.sleep(1000);
                    this.linkedList.add(content);
                    count();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                this.testCdl.countDown();
            });
            this.cdl.countDown();
        }

        this.testCdl.await();
        log.info("Successful write into LinkedList times is: {}", this.counter);
        log.info("Current insert operation finish. LinkedList's size is: {}", this.linkedList.size());

        int currentIndex = -1;
        final ListIterator<String> listIterator = this.linkedList.listIterator();

        while (listIterator.hasNext()) {
            try {
                listIterator.next();
                currentIndex++;
            } catch (Exception e) {
                log.error("Exception is: {}", e.getClass().getSimpleName());
                break;
            }
        }
        log.info("Mistake element index is: {}", currentIndex);
    }

    synchronized private void count() {
        this.counter++;
    }
}
  • 計算成功添加元素次數的count()方法,必須使用synchronized關鍵字修飾,此時不能使用以下代碼進行替換:
    • count++;,此代碼是執行緒不安全的,
  • 測驗運行次數為3次,得到以下結果:

  • 三次測驗表明,添加元素add()操作本身不會出現任何例外,但最終鏈表長度則表明其內部出現添加失敗的操作,
  • 而三次獲取的迭代器物件,在進行迭代時均出現NullPointerException,在不進行例外抓取的情況下,可以清晰看到例外出現的位置位于next()方法中的next = next.next行,不難推敲是由于當前鏈接的前置鏈接中next欄位值為null引起,
public E next() {
    checkForComodification();
    if (!hasNext())
        throw new NoSuchElementException();

    lastReturned = next;
    next = next.next;
    nextIndex++;
    return lastReturned.item;
}
  • 以上結論,可以知道在多執行緒的情況下使用linkLast(E e)方法,是可能會造成鏈表結構錯誤,那么對于使用該方法的其他方法add(int index, E element)add(E e)來說,即同樣有可能造成結構錯誤,
  • 遺憾的是,在多執行緒情況下使用成員變數或類變數LinkedList時,該錯誤是不可避免的,

運算元modCount

  • LinkedList中大部分對鏈表操作的方法,都會記錄運算元,而這個運算元成員變數是modCount,其初始值為0,運算元需要與ListIterator中的expectedModCount配合使用,某些特殊情況下可以避免添加元素失敗的情況,
  • ListIterator中對運算元進行記錄的欄位為expectedModCount,該欄位在獲取ListIterator物件時,被初始化為當前鏈表的運算元欄位modCount的值,
  • 使用ListIterator對鏈表進行addremove操作時,其會呼叫LinkedList中的增刪方法,此時modCount會自增或自減的情況,而ListIteratoraddremove方法也會同步讓expectedModCount進行自增或自減的操作,
  • 其中關鍵點是ListIteratoradd()方法中呼叫的checkForComodification()方法:
    • 該方法檢查modCount是否與expectedModCount的值一致,一致則無事發生,否則拋出例外,
final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}
  • 如果此時有兩個執行緒獲取了同一個LinkedListListIterator物件,此時它們獲取到的expectedModCount都為0,其中一個執行緒如果呼叫了ListIterator.add(),此時假設另一個執行緒為呼叫任何的方法,
  • LinkedList中的modCount就會被置為1,此時另一個執行緒開始呼叫ListIterator.add(),進入此方法會,程式會先進性校驗操作,呼叫checkForComodification(),明顯,此時modCount == 1expectedModCount == 0
  • modCount != expectedModCount的情況下,會拋出ConcurrentModificationException例外,
  • 為了方便理解,撰寫以下測驗類:
package cn.dylanphang;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.AbstractList;
import java.util.ConcurrentModificationException;
import java.util.LinkedList;
import java.util.ListIterator;

/**
 * @author dylan
 */
@Slf4j
@SuppressWarnings("all")
public class ListIteratorTest {

    @Test
    public void test() throws InterruptedException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchFieldException {
        // 1.獲取LinkedList物件
        AbstractList<String> linkedList = new LinkedList<>();

        // 2.執行緒一
        new Thread(() -> {
            try {
                // 2.1.獲取listIterator物件,modCount/expectedModCount均為0
                ListIterator<String> listIterator = linkedList.listIterator();
                // 2.2.執行緒休眠2秒
                Thread.sleep(2000);
                // 2.3.執行緒結束休眠后,添加元素前需要經過checkForComodification()
                // *.此時執行緒二已經結束,modCount必然為1,checkForComodification()將拋出ConcurrentModificationException
                listIterator.add("dylan");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ConcurrentModificationException e) {
                log.error("{}", e.toString());
            }
        }).start();

        // 3.執行緒二
        new Thread(() -> {
            try {
                // 3.1.獲取listIterator物件,modCount/expectedModCount均為0
                ListIterator<String> listIterator = linkedList.listIterator();
                // 3.2.執行緒休眠1秒
                Thread.sleep(1000);
                // 3.3.執行緒結束休眠后,添加元素完畢,modCount被更新為1
                listIterator.add("sunny");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        // 4.防止test執行緒結束
        Thread.sleep(3000);

        // 5.使用反射技識訓取AbstractList中modCount的欄位物件field
        Class<AbstractList> abstractListClass = AbstractList.class;
        Field field = abstractListClass.getDeclaredField("modCount");

        // 6.取消Java權限控制檢查
        field.setAccessible(true);

        // 7.斷言modCount的值為1
        log.info("modCount: {}", field.get(linkedList));
    }
}
  • 以上程式開啟兩個執行緒,在對LinkedList進行add()操作前獲取其ListIterator物件,并進行不通過長度的休眠,以確保獲取的ListIterator物件中的expectedModCount值為0,執行緒二將先對鏈表進行操作,之后觀察執行緒一及后續的輸出,
  • 運行測驗:

  • 沒有意外,程式捕獲到了ConcurrentModificationException
  • 但縱使如此,仍沒有消除LinkedList中執行緒不安全的問題,多個執行緒是極有可能在modCountexpectedModCount相等的情況下進行checkForComodification()判斷的,此時不會拋出任何的例外,對于以下代碼:
ListIterator<String> listIterator = linkedList.listIterator();
listIterator.add("something.");
  • 程式基本上在一瞬間就能獲取到ListIterator并使用add()modCount++,此時另一個執行緒獲取的ListIterator依然是新運算元modCount了,程式運行太快,使得在平常的程式中難以捕獲例外,但并不代表執行緒安全,

linkedList.add與listIterator.add

  • 綜上所述,LinkedList中的方法add(int index, E element),與ListIterator物件中的add(E element)同樣可以向鏈表中插入元素,其實作原理其實也是一致的:
    • 前者能帶來更強的便利性,通過直接指定索引的方式,可以在鏈表的任意一個位置添加新的鏈接link
    • 后者可以通過指定索引的方式listIterator(int index)先獲取到ListIterator物件參考,之后再呼叫該物件所提供的add(E element)方法添加元素,使用該物件也可以對鏈表進行增add、刪remove、改set操作;
    • 兩者均為執行緒不安全的方法:
      • 多執行緒操作linkedList.add()可能會導致鏈表結構出錯;
      • 多執行緒操作listIterator.add()則還可能會導致ConcurrentModificationException例外,

總結

  • LinkedList是執行緒不安全的,
  • modCountexpectModCount的結合使用,在某些特殊情況下可以避免增刪元素導致鏈表結構錯誤的情況,

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  • 【C++】Microsoft C++、C 和匯編程式檔案

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  • 例外宣告

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    鏈接:https://codeforces.com/problemset/problem/1400/E 來源:Codeforces 思路:給你一個陣列,現在你可以進行兩種操作,操作1:將一段沒有 0 的區間進行減一的操作,操作2:將 i 位置上的元素歸零。最終問:將這個陣列的全部元素歸零后操作的最少 ......

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  • UVA11610 【Reverse Prime】

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  • 統計區間素數數量

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    1、C中的const 1、區域const變數存放在堆疊區中,會分配記憶體(也就是說可以通過地址間接修改變數的值)。測驗代碼如下: 運行結果: 2、全域const變數存放在只讀資料段(不能通過地址修改,會發生寫入錯誤), 默認為外部聯編,可以給其他源檔案使用(需要用extern關鍵字修飾) 運行結果: ......

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  • 【C++犯錯記錄】VS2019 MFC不懂的批量添加資源

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  • 【C/C++編程筆記】從頭開始學習C ++:初學者完整指南

    眾所周知,C ++的學習曲線陡峭,但是花時間學習這種語言將為您的職業帶來奇跡,并使您與其他開發人員區分開。您會更輕松地學習新語言,形成真正的解決問題的技能,并在編程的基礎上打下堅實的基礎。 C ++將幫助您養成良好的編程習慣(即清晰一致的編碼風格,在撰寫代碼時注釋代碼,并限制類內部的可見性),并且由 ......

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