第四章 `LinkedList`

这一章展示了上一个练习的解法，并继续讨论算法分析。

4.1 MyLinkedList方法的划分

我的indexOf实现在下面。在阅读说明之前，请阅读它，看看你是否可以确定其增长级别。

public int indexOf(Object target) {
    Node node = head;
    for (int i=0; i<size; i++) {
        if (equals(target, node.data)) {
            return i;
        }
        node = node.next;
    }
    return -1;
}

最初node为head的副本，所以他们都指向相同的Node。循环变量i从0计数到size-1。每次在循环中，我们都用equals来看看我们是否找到了目标。如果是这样，我们立即返回i。否则我们移动到列表中的下一个Node。

通常我们会检查以确保下一个Node不是null，但在这里，它是安全的，因为当我们到达列表的末尾时循环结束（假设与列表中size与实际节点数量一致）。

如果我们走完了循环而没有找到目标，我们返回-1。

那么这种方法的增长级别是什么？

• 每次在循环中，我们调用了equals，这是一个常数时间（它可能取决于target或data大小，但不取决于列表的大小）。循环中的其他操作也是常数时间。
• 循环可能运行n次，因为在更糟的情况下，我们可能必须遍历整个列表。

所以这个方法的运行时间与列表的长度成正比。

接下来，这里是我的双参数add方法的实现。同样，你应该尝试对其进行划分，然后再阅读说明。

public void add(int index, E element) {
    if (index == 0) {
        head = new Node(element, head);
    } else {
        Node node = getNode(index-1);
        node.next = new Node(element, node.next);
    }
    size++;
}

如果index==0，我们在开始添加新的Node，所以我们把它当作特殊情况。否则，我们必须遍历列表来查找index-1处的元素。我们使用辅助方法getNode：

private Node getNode(int index) {
    if (index < 0 || index >= size) {
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
    Node node = head;
    for (int i=0; i<index; i++) {
        node = node.next;
    }
    return node;
}

getNode检查index是否超出范围；如果是这样，它会抛出异常。否则，它遍历列表并返回所请求的节点。

我们回到add，一旦我们找到合适的Node，我创建新的Node，并把它插到node和node.next之间。你可能会发现，绘制此操作的图表有助于确保你了解此操作。

那么，add的增长级别什么呢？

• getNode类似indexOf，出于同样的原因也是线性的。
• 在add中，getNode前后的一切都是常数时间。

所以放在一起，add是线性的。

最后，我们来看看remove：

public E remove(int index) {
    E element = get(index);
    if (index == 0) {
        head = head.next;
    } else {
        Node node = getNode(index-1);
        node.next = node.next.next;
    }
    size--;
    return element;
}

remove使用了get查找和存储index处的元素。然后它删除包含它的Node。

如果index==0，我们再次处理这个特殊情况。否则我们找到节点index-1并进行修改，来跳过node.next并直接链接到node.next.next。这有效地从列表中删除node.next，它可以被垃圾回收。

最后，我们减少size并返回我们在开始时检索的元素。

那么，remove的增长级别是什么呢？remove中的一切是常数时间，除了get和getNode，它们是线性的。因此，remove是线性的。

当人们看到两个线性操作时，他们有时会认为结果是平方的，但是只有一个操作嵌套在另一个操作中才适用。如果你在一个操作之后调用另一个，运行时间会相加。如果它们都是O(n)的，则总和也是O(n)的。

4.2 MyArrayList和MyLinkedList的对比

下表总结了MyArrayList和MyLinkedList之间的差异，其中1表示O(1)或常数时间，和n表示O(n)或线性。

• MyArrayList的优势操作是，插入末尾，移除末尾，获取和设置。
• MyLinkedList的优势操作是，插入开头，以及移动开头。

对于其他操作，这两个实现方式的增长级别相同。

哪个实现更好？这取决于你最有可能使用哪些操作。这就是为什么 Java 提供了多个实现，因为它取决于你。

4.3 性能分析

对于下一个练习，我提供了一个Profiler类，它包含代码，使用一系列问题规模运行方法，测量运行时间和绘制结果。

你将使用Profiler，为 Java 的实现ArrayList和LinkedList，划分add方法的性能。

以下是一个示例，展示了如何使用分析器：

public static void profileArrayListAddEnd() {
    Timeable timeable = new Timeable() {
        List<String> list;

        public void setup(int n) {
            list = new ArrayList<String>();
        }

        public void timeMe(int n) {
            for (int i=0; i<n; i++) {
                list.add("a string");
            }
        }
    };

    String title = "ArrayList add end";
    Profiler profiler = new Profiler(title, timeable);

    int startN = 4000;
    int endMillis = 1000;
    XYSeries series = profiler.timingLoop(startN, endMillis);
    profiler.plotResults(series);
}

此方法测量在ArrayList上运行add所需的时间，它向末尾添加新元素。我将解释代码，然后展示结果。

为了使用Profiler，我们需要创建一个Timeable，它提供两个方法：setup和timeMe。setup方法执行在启动计时之前所需的任何工作；这里它会创建一个空列表。然后timeMe执行我们试图测量的任何操作；这里它将n个元素添加到列表中。

创建timeable的代码是一个匿名类，用于定义Timeable接口的新实现，并同时创建新类的实例。如果你不熟悉匿名类，你可以阅读这里：http://thinkdast.com/anonclass。

但是下一次练习不需要太多的知识；即使你不喜欢匿名类，也可以复制和修改示例代码。

下一步是创建Profiler对象，传递Timeable对象和标题作为参数。

Profiler提供了timingLoop，它使用存储为实例变量的Timeable。它多次调用Timeable对象上的timeMe方法，使用一系列的n值。timingLoop接受两个参数：

• startN是n的值，计时循环应该从它开始。
• endMillis是以毫秒为单位的阈值。随着 timingLoop增加问题规模，运行时间增加；当运行时间超过此阈值时，timingLoop停止。

当你运行实验时，你可能需要调整这些参数。如果startN太低，运行时间可能太短，无法准确测量。如果endMillis太低，你可能无法获得足够的数据，来查看问题规模和运行时间之间的明确关系。

这段代码位于ProfileListAdd.java，你将在下一个练习中运行它。当我运行它时，我得到这个输出：

4000, 3
8000, 0
16000, 1
32000, 2
64000, 3
128000, 6
256000, 18
512000, 30
1024000, 88
2048000, 185
4096000, 242
8192000, 544
16384000, 1325

第一列是问题规模，n；第二列是以毫秒为单位的运行时间。前几个测量非常嘈杂；最好将startN设置在64000左右。

timingLoop的结果是包含此数据的XYSeries。如果你将这个序列传给plotResults，它会产生一个如图 4.1 所示的图形。

图 4.1 分析结果：将n个元素添加到ArrayList末尾的运行时间与问题规模。

下一节解释了如何解释它。

4.4 解释结果

基于我们对ArrayList工作方式的理解，我们期望，在添加元素到最后时，add方法需要常数时间。所以添加n个元素的总时间应该是线性的。

为了测试这个理论，我们可以绘制总运行时间和问题规模，我们应该看到一条直线，至少对于大到足以准确测量的问题规模。在数学上，我们可以为这条直线编写一个函数：

runtime = a + b * n 

其中a是线的截距，b是斜率。

另一方面，如果add是线性的，则n次添加的总时间将是平方。如果我们绘制运行时间与问题规模，我们预计会看到抛物线。或者在数学上，像：

runtime = a + b * n + c * n ** 2 

有了完美的数据，我们可能能够分辨直线和抛物线之间的区别，但如果测量结果很嘈杂，可能很难辨别。解释嘈杂的测量值的更好方法是，在重对数刻度上绘制的运行时间和问题规模。

为什么？我们假设运行时间与n ** k成正比，但是我们不知道指数k是什么。我们可以将关系写成这样：

runtime = a + b * n + … + c * n ** k 

对于n的较大值，最大指数项是最重要的，因此：

runtime ≈ c * n ** k 

其中≈意思是“大致相等”。现在，如果我们对这个方程的两边取对数：

log(runtime) ≈ log(c) + k * log(n) 

这个方程式意味着，如果我们在重对数合度上绘制运行时间与n，我们预计看到一条直线，截距为log(c)，斜率为k。我们不太在意截距，但斜率表示增长级别：如果k = 1，算法是线性的；如果k = 2，则为平方的。

看上一节中的数字，你可以通过眼睛来估计斜率。但是当你调用plotResults它时，会计算数据的最小二乘拟合并打印估计的斜率。在这个例子中：

Estimated slope = 1.06194352346708

它接近1；并且这表明n次添加的总时间是线性的，所以每个添加是常数时间，像预期的那样。

其中重要的一点：如果你在图形看到这样的直线，这并不意味着该算法是线性的。如果对于任何指数k，运行时间与n ** k成正比，我们预计看到斜率为k的直线。如果斜率接近1，则表明算法是线性的。如果接近2，它可能是平方的。

4.5 练习 4

在本书的仓库中，你将找到此练习所需的源文件：

• Profiler.java包含上述Profiler类的实现。你会使用这个类，但你不必知道它如何工作。但可以随时阅读源码。
• ProfileListAdd.java包含此练习的起始代码，包括上面的示例，它测量了ArrayList.add。你将修改此文件来测量其他一些方法。

此外，在code目录中，你将找到 Ant 构建文件build.xml。

运行ant ProfileListAdd来运行ProfileListAdd.java。你应该得到类似图 4.1 的结果，但是你可能需要调整startN或endMillis。估计的斜率应该接近1，表明执行n个添加操作的所需时间与n成正比；也就是说，它是O(n)的。

在ProfileListAdd.java中，你会发现一个空的方法profileArrayListAddBeginning。用测试ArrayList.add的代码填充这个方法的主体，总是把新元素放在开头。如果你以profileArrayListAddEnd的副本开始，你只需要进行一些更改。在main中添加一行来调用这个方法。

再次运行ant ProfileListAdd并解释结果。基于我们对ArrayList工作方式的理解，我们期望，每个添加操作是线性的，所以n次添加的总时间应该是平方的。如果是这样，在重对数刻度中，直线的估计斜率应该接近2。是吗？

现在我们来将其与LinkedList比较。当我们把新元素放在开头，填充profileLinkedListAddBeginning并使用它划分LinkedList.add。你期望什么性能？结果是否符合你的期望？

最后，填充profileLinkedListAddEnd的主体，使用它来划分LinkedList.add。你期望什么性能？结果是否符合你的期望？

我将在下一章中展示结果并回答这些问题。