理解LinkedHashMap

发布时间：2020-05-15 09:45:44 来源：网络阅读：202 作者：吴金瑞栏目：网络安全

1. LinkedHashMap概述：

LinkedHashMap是HashMap的一个子类，它保留插入的顺序，如果需要输出的顺序和输入时的相同，那么就选用LinkedHashMap。

   LinkedHashMap是Map接口的哈希表和链接列表实现，具有可预知的迭代顺序。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。
   LinkedHashMap实现与HashMap的不同之处在于，后者维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序，该迭代顺序可以是插入顺序或者是访问顺序。
   注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问链接的哈希映射，而其中至少一个线程从结构上修改了该映射，则它必须保持外部同步。

根据链表中元素的顺序可以分为：按插入顺序的链表，和按访问顺序(调用get方法)的链表。

默认是按插入顺序排序，如果指定按访问顺序排序，那么调用get方法后，会将这次访问的元素移至链表尾部，不断访问可以形成按访问顺序排序的链表。可以重写removeEldestEntry方法返回true值指定插入元素时移除最老的元素。

2. LinkedHashMap的实现：

对于LinkedHashMap而言，它继承与HashMap、底层使用哈希表与双向链表来保存所有元素。其基本操作与父类HashMap相似，它通过重写父类相关的方法，来实现自己的链接列表特性。下面我们来分析LinkedHashMap的源代码：

类结构：

public class LinkedHashMap<K, V> extends HashMap<K, V> implements Map<K, V>

1) 成员变量：

LinkedHashMap采用的hash算法和HashMap相同，但是它重新定义了数组中保存的元素Entry，该Entry除了保存当前对象的引用外，还保存了其上一个元素before和下一个元素after的引用，从而在哈希表的基础上又构成了双向链接列表。看源代码：

//true表示按照访问顺序迭代，false时表示按照插入顺序
private final boolean accessOrder;

/**
* 双向链表的表头元素。
*/
private transient Entry<K,V> header;
/**
* LinkedHashMap的Entry元素。
* 继承HashMap的Entry元素，又保存了其上一个元素before和下一个元素after的引用。
*/
private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
Entry<K,V> before, after;
……
}

HashMap.Entry:

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
}

2) 初始化：

通过源代码可以看出，在LinkedHashMap的构造方法中，实际调用了父类HashMap的相关构造方法来构造一个底层存放的table数组。如：

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
super(initialCapacity, loadFactor);
accessOrder = false;
}

HashMap中的相关构造方法：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
}

我们已经知道LinkedHashMap的Entry元素继承HashMap的Entry，提供了双向链表的功能。在上述HashMap的构造器中，最后会调用init()方法，进行相关的初始化，这个方法在HashMap的实现中并无意义，只是提供给子类实现相关的初始化调用。
LinkedHashMap重写了init()方法，在调用父类的构造方法完成构造后，进一步实现了对其元素Entry的初始化操作。

void init() {
header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);
header.before = header.after = header;
}

3) 存储：

LinkedHashMap并未重写父类HashMap的put方法，而是重写了父类HashMap的put方法调用的子方法void recordAccess(HashMap m) ，void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 和void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)，提供了自己特有的双向链接列表的实现。

HashMap.put:

public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

重写方法：

void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
remove();
addBefore(lm.header);
}
}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 调用create方法，将新元素以双向链表的的形式加入到映射中。
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
// 删除最近最少使用元素的策略定义
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
} else {
if (size >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
}

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
// 调用元素的addBrefore方法，将元素加入到哈希、双向链接列表。
e.addBefore(header);
size++;
}

private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}

4) 读取：

LinkedHashMap重写了父类HashMap的get方法，实际在调用父类getEntry()方法取得查找的元素后，再判断当排序模式accessOrder为true时，记录访问顺序，将最新访问的元素添加到双向链表的表头，并从原来的位置删除。由于的链表的增加、删除操作是常量级的，故并不会带来性能的损失。

HashMap.containsValue:

public boolean containsValue(Object value) {
if (value == null)
return containsNullValue();
Entry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
if (value.equals(e.value))
return true;
return false;
}

/*查找Map中是否包含给定的value，还是考虑到，LinkedHashMap拥有的双链表，在这里Override是为了提高迭代的效率。
*/
public boolean containsValue(Object value) {
// Overridden to take advantage of faster iterator
if (value==null) {
for (Entry e = header.after; e != header; e = e.after)
if (e.value==null)
return true;
} else {
for (Entry e = header.after; e != header; e = e.after)
if (value.equals(e.value))
return true;
}
return false;
}

/*该transfer()是HashMap中的实现：遍历整个表的各个桶位，然后对桶进行遍历得到每一个Entry，重新hash到newTable中，
//放在这里是为了和下面LinkedHashMap重写该法的比较，
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
*/
/**
*transfer()方法是其父类HashMap调用resize()的时候调用的方法，它的作用是表扩容后，把旧表中的key重新hash到新的表中。
*这里从写了父类HashMap中的该方法，是因为考虑到，LinkedHashMap拥有的双链表，在这里Override是为了提高迭代的效率。
*/
void transfer(HashMap.Entry[] newTable) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K, V> e = header.after; e != header; e = e.after) {
int index = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[index];
newTable[index] = e;
}
}

public V get(Object key) {
// 调用父类HashMap的getEntry()方法，取得要查找的元素。
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
if (e == null)
return null;
// 记录访问顺序。
e.recordAccess(this);
return e.value;
}

void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
// 如果定义了LinkedHashMap的迭代顺序为访问顺序，
// 则删除以前位置上的元素，并将最新访问的元素添加到链表表头。
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
remove();
addBefore(lm.header);
}
}

/**
* Removes this entry from the linked list.
*/
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}

/**clear链表，设置header为初始状态*/
public void clear() {
super.clear();
header.before = header.after = header;
}

5) 排序模式：

LinkedHashMap定义了排序模式accessOrder，该属性为boolean型变量，对于访问顺序，为true；对于插入顺序，则为false。

private final boolean accessOrder;

一般情况下，不必指定排序模式，其迭代顺序即为默认为插入顺序。看LinkedHashMap的构造方法，如：

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
super(initialCapacity, loadFactor);
accessOrder = false;
}

这些构造方法都会默认指定排序模式为插入顺序。如果你想构造一个LinkedHashMap，并打算按从近期访问最少到近期访问最多的顺序（即访问顺序）来保存元素，那么请使用下面的构造方法构造LinkedHashMap：

public LinkedHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor,
boolean accessOrder) {
super(initialCapacity, loadFactor);
this.accessOrder = accessOrder;
}

该哈希映射的迭代顺序就是最后访问其条目的顺序，这种映射很适合构建LRU缓存。LinkedHashMap提供了removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest)方法。该方法可以提供在每次添加新条目时移除最旧条目的实现程序，默认返回false，这样，此映射的行为将类似于正常映射，即永远不能移除最旧的元素。

当有新元素加入Map的时候会调用Entry的addEntry方法，会调用removeEldestEntry方法，这里就是实现LRU元素过期机制的地方，默认的情况下removeEldestEntry方法只返回false表示元素永远不过期。

/**
* This override alters behavior of superclass put method. It causes newly
* allocated entry to get inserted at the end of the linked list and
* removes the eldest entry if appropriate.
*/
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
// Remove eldest entry if instructed, else grow capacity if appropriate
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
} else {
if (size >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
}
/**
* This override differs from addEntry in that it doesn't resize the
* table or remove the eldest entry.
*/
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
e.addBefore(header);
size++;
}
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
return false;
}

此方法通常不以任何方式修改映射，相反允许映射在其返回值的指引下进行自我修改。如果用此映射构建LRU缓存，则非常方便，它允许映射通过删除旧条目来减少内存损耗。

例如：重写此方法，维持此映射只保存100个条目的稳定状态，在每次添加新条目时删除最旧的条目。

private static final int MAX_ENTRIES = 100;
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
return size() > MAX_ENTRIES;
}

其实LinkedHashMap几乎和HashMap一样，不同的是它定义了一个Entry<K,V> header，这个header不是放在Table里，它是额外独立出来的。LinkedHashMap通过继承hashMap中的Entry<K,V>,并添加两个属性Entry<K,V> before,after,和header结合起来组成一个双向链表，来实现按插入顺序或访问顺序排序。

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