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Java 实例 – 获取链表（LinkedList）的第一个和最后一个元素（手把手讲解）

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在 Java 编程中，链表（LinkedList）作为一种动态数据结构，因其灵活的插入和删除操作，被广泛应用于需要频繁修改序列的场景。然而，对于刚接触 Java 的开发者而言，如何高效地获取链表中的第一个和最后一个元素，可能是理解其核心功能的关键一步。本文将通过实例讲解这一操作的具体实现方法，结合代码示例与性能分析，帮助读者掌握链表操作的底层逻辑，并理解不同方法的适用场景。

一、链表（LinkedList）基础概念与特性

1.1 链表的基本定义

链表是由一系列节点（Node）组成的线性数据结构，每个节点包含数据域（Data）和指向下一个节点的引用（Next）。这种结构类似于火车车厢的连接方式：每个车厢（节点）通过车钩（引用）与前后车厢相连，形成一条可动态扩展的序列。

Java 中的 LinkedList 类实现了 List 接口，因此具备列表的基本功能（如索引访问、遍历等），同时支持在头部、尾部或中间快速插入和删除元素，这得益于其动态的内存分配机制。

1.2 链表的核心操作方法

LinkedList 提供了多种方法来访问和操作元素，其中与获取首尾元素直接相关的包括：

  • getFirst()：获取链表的第一个元素。
  • getLast()：获取链表的最后一个元素。
  • get(0) 和 get(size() - 1)：通过索引访问首尾元素。

这些方法的底层实现原理不同，性能表现也存在差异，后续章节将详细对比分析。

二、获取链表的第一个元素

2.1 使用 getFirst() 方法

getFirst() 是 LinkedList 类的特有方法，直接返回链表头部的元素。其底层逻辑是直接访问链表的 first 节点，因此时间复杂度为 O(1)。

代码示例：

import java.util.LinkedList;

public class LinkedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
        list.add("元素1");
        list.add("元素2");
        list.add("元素3");

        // 获取第一个元素
        String firstElement = list.getFirst();
        System.out.println("第一个元素是：" + firstElement); // 输出：元素1
    }
}

2.2 异常处理：空链表的情况

若链表为空时调用 getFirst()，会抛出 NoSuchElementException。因此，在实际开发中需要添加异常处理逻辑：

try {
    String first = list.getFirst();
} catch (NoSuchElementException e) {
    System.out.println("链表为空，无法获取第一个元素");
}

2.3 替代方案：通过索引 get(0)

LinkedList 也支持通过索引 0 访问第一个元素：

String firstElement = list.get(0);

但需注意，虽然 get(0) 的时间复杂度同样是 O(1)（因为链表维护了 first 引用），但直接使用 getFirst() 更直观且符合面向对象的设计原则。

三、获取链表的最后一个元素

3.1 使用 getLast() 方法

类似 getFirst()，getLast() 方法直接返回链表的尾部元素。其底层通过访问 last 节点实现，时间复杂度为 O(1)。

代码示例：

// 假设链表已初始化并添加元素
String lastElement = list.getLast();
System.out.println("最后一个元素是：" + lastElement); // 输出：元素3

3.2 空链表的异常处理

与 getFirst() 类似，若链表为空时调用 getLast()，同样会抛出 NoSuchElementException，需添加对应的异常捕获：

try {
    String last = list.getLast();
} catch (NoSuchElementException e) {
    System.out.println("链表为空，无法获取最后一个元素");
}

3.3 替代方案：通过索引 get(size() - 1)

另一种方法是通过计算链表长度 size()，再访问索引 size() - 1：

String lastElement = list.get(list.size() - 1);

但需注意：

  • 时间复杂度：size() 方法本身是 O(1)，但若链表未维护 size 变量（如某些自定义链表实现），可能需要遍历链表导致 O(n)。
  • 可读性：直接使用 getLast() 更清晰，且避免了索引计算可能引入的错误（如链表为空时的负索引）。

四、性能对比与最佳实践

4.1 时间复杂度分析

方法获取第一个元素获取最后一个元素
getFirst() / getLast()O(1)O(1)
get(0) / get(size()-1)O(1)O(n) (理论值)

注：getLast() 的时间复杂度在 Java 的 LinkedList 实现中为 O(1)，因为链表内部维护了 last 指针。而 get(size()-1) 理论上需要遍历链表，但实际由于 LinkedList 的 get 方法通过双向遍历优化（从头或尾开始遍历，取较短路径），其性能可能接近 O(1)，但并非严格保证。

4.2 推荐实践

  • 优先使用 getFirst() 和 getLast()：直接、高效且语义明确。
  • 避免直接操作索引：除非链表的长度变化频繁，需动态计算位置。
  • 添加空检查：通过 isEmpty() 方法提前判断链表是否为空，避免异常。

五、综合案例：学生信息管理

5.1 场景描述

假设需要管理学生名单，需快速获取第一个（最早加入）和最后一个（最新加入）学生的信息。

5.2 完整代码实现

import java.util.LinkedList;

public class StudentManager {
    private LinkedList<String> students = new LinkedList<>();

    public void addStudent(String studentName) {
        students.add(studentName);
    }

    public String getFirstStudent() {
        if (students.isEmpty()) {
            return "当前无学生信息";
        }
        return students.getFirst();
    }

    public String getLastStudent() {
        if (students.isEmpty()) {
            return "当前无学生信息";
        }
        return students.getLast();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StudentManager manager = new StudentManager();
        manager.addStudent("张三");
        manager.addStudent("李四");
        manager.addStudent("王五");

        System.out.println("第一个学生：" + manager.getFirstStudent()); // 张三
        System.out.println("最后一个学生：" + manager.getLastStudent()); // 王五
    }
}

5.3 扩展思考

若需获取倒数第二个元素，可结合索引与 size() 方法：

int lastIndex = students.size() - 1;
String secondLast = students.get(lastIndex - 1); // 假设链表长度≥2

但需注意边界条件，避免索引越界。

六、常见问题与解答

6.1 为什么 LinkedList 的 get 方法时间复杂度是 O(n)？

虽然 LinkedList 的 get(0) 是 O(1)，但访问中间元素（如 get(100)）需要从头或尾遍历，导致最坏时间复杂度为 O(n)。因此，若频繁按索引访问元素，应优先使用 ArrayList。

6.2 如何判断链表是否为空？

使用 isEmpty() 方法：

if (list.isEmpty()) {
    // 处理空链表逻辑
}

6.3 LinkedList 是否支持多线程环境？

默认情况下，LinkedList 不是线程安全的。若需多线程操作，可通过 Collections.synchronizedList() 包装，或改用 CopyOnWriteArrayList。

七、结论

通过本文的讲解，读者应能掌握在 Java 中通过 LinkedList 获取首尾元素的多种方法，并理解其性能差异与适用场景。无论是通过 getFirst()、getLast() 的直接调用，还是结合索引与 size() 的灵活操作，关键在于根据实际需求选择最简洁高效的方案。建议在开发中遵循以下原则：

  1. 优先使用特有方法（如 getFirst()），提升代码可读性与性能；
  2. 提前检查空链表，避免运行时异常；
  3. 结合场景选择数据结构，如频繁索引访问时选择 ArrayList。

通过实践与对比，开发者将更熟练地驾驭链表这一灵活而强大的工具，为复杂业务场景提供高效解决方案。

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