Java LinkedList 详解

LinkedList 是 Java 集合框架中常用的数据结构之一，位于 java.util 包中。它实现了 List、Deque 和 Queue 接口，是一个双向链表结构，适合频繁的插入和删除操作。

1. LinkedList 的特点

数据结构：基于双向链表实现，每个节点包含：
- 数据部分（存储值）。
- 前驱指针（指向前一个节点）。
- 后继指针（指向后一个节点）。
实现接口：
- List：支持按索引随机访问、插入和删除操作。
- Deque：支持双端队列操作。
- Queue：支持队列操作。
操作特性：
- 插入和删除效率高：在头部或尾部插入和删除操作的时间复杂度为 $O (1)$ 。
- 随机访问效率低：需要遍历链表查找元素，时间复杂度为 $O (n)$ 。

2. LinkedList 的构造方法

LinkedList 提供了以下两种构造方法：

无参构造：

LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();

创建一个空的链表。

带集合参数的构造：

List<Integer> arrayList = Arrays.asList(1, 2, 3);
LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>(arrayList);

使用另一个集合初始化链表。

3. 常用方法

LinkedList 继承了 List 和 Deque 的所有方法。以下是常用方法的分类及示例：

3.1 添加元素

尾部添加：

list.add(10);  // 在尾部添加元素

指定位置添加：

list.add(1, 20);  // 在索引 1 处插入元素 20

头部添加：

list.addFirst(5);  // 在头部添加元素

尾部添加：

list.addLast(15);  // 在尾部添加元素

3.2 删除元素

删除头部元素：

list.removeFirst();  // 删除并返回头部元素

删除尾部元素：

list.removeLast();  // 删除并返回尾部元素

删除指定位置元素：

list.remove(2);  // 删除索引 2 处的元素

删除指定值：

list.remove(Integer.valueOf(10));  // 删除第一个匹配值为 10 的元素

3.3 获取元素

头部或尾部元素：

list.getFirst();  // 返回头部元素
list.getLast();   // 返回尾部元素

指定位置元素：

list.get(2);  // 返回索引 2 处的元素

3.4 检查元素

是否包含某个元素：

list.contains(20);  // 检查链表是否包含值为 20 的元素

是否为空：

list.isEmpty();  // 检查链表是否为空

3.5 迭代元素

普通 for 循环：

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

增强 for 循环：

for (Integer num : list) {
    System.out.println(num);
}

使用迭代器：

Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    System.out.println(iterator.next());
}

3.6 双端队列操作

LinkedList 实现了 Deque 接口，支持双端队列的操作。

入队（头部或尾部）：

list.offerFirst(1);  // 在头部添加元素
list.offerLast(2);   // 在尾部添加元素

出队（头部或尾部）：

list.pollFirst();  // 删除并返回头部元素
list.pollLast();   // 删除并返回尾部元素

3.7 栈操作

LinkedList 也可以用作栈，支持栈的基本操作。

压栈：

list.push(10);  // 将元素压入栈顶（头部）

出栈：

list.pop();  // 弹出栈顶元素（头部）

4. 示例代码

以下是一个综合使用 LinkedList 的示例：

import java.util.LinkedList;

public class LinkedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();

        // 添加元素
        list.add(10);
        list.add(20);
        list.add(30);
        list.addFirst(5);
        list.addLast(40);
        System.out.println("链表内容: " + list);

        // 删除元素
        list.removeFirst();
        list.removeLast();
        list.remove(Integer.valueOf(20));
        System.out.println("删除元素后的链表: " + list);

        // 获取元素
        System.out.println("头部元素: " + list.getFirst());
        System.out.println("尾部元素: " + list.getLast());

        // 检查元素
        System.out.println("是否包含 30: " + list.contains(30));

        // 使用栈操作
        list.push(50);  // 压栈
        System.out.println("压栈后的链表: " + list);
        list.pop();     // 出栈
        System.out.println("出栈后的链表: " + list);

        // 使用队列操作
        list.offerFirst(5);  // 入队头部
        list.offerLast(60);  // 入队尾部
        System.out.println("使用队列操作后的链表: " + list);

        // 遍历元素
        System.out.println("遍历链表:");
        for (Integer num : list) {
            System.out.println(num);
        }
    }
}

输出：

链表内容: [5, 10, 20, 30, 40]
删除元素后的链表: [10, 30]
头部元素: 10
尾部元素: 30
是否包含 30: true
压栈后的链表: [50, 10, 30]
出栈后的链表: [10, 30]
使用队列操作后的链表: [5, 10, 30, 60]
遍历链表:
5
10
30
60

5. LinkedList 的时间复杂度

操作	时间复杂度	原因
插入（头部/尾部）	$O (1)$	双向链表操作，直接修改指针即可
删除（头部/尾部）	$O (1)$	双向链表操作，直接修改指针即可
按索引访问元素	$O (n)$	需要从头部或尾部遍历到指定位置
查找某个元素	$O (n)$	遍历整个链表
插入/删除（中间位置）	$O (n)$	需要先遍历找到位置，然后修改指针