Java8前-LinkedHashMap实现原理

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。

对于 linkedHashMap 而言,它继承于 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:

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:

private transient Entry header;


private static class Entry extends HashMap.Entry {

    Entry before, after;
    ......
}

通过源代码可以看出,在 linkedHashMap 的构造器中,实际调用了父类 HashMap 的相关构造器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(-1, null, null, null);
    header.before = header.after = header;
}

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 addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 和 voidcreateEntry(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。

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 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 old = table[bucketIndex];
    Entry e = new Entry(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 existingEntry) {

    after  = existingEntry;
    before = existingEntry.before;
    before.after = this;
    after.before = this;
}

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。

public V get(Object key) {

    // 调用父类 HashMap 的 getEntry()方法,取得要查找的元素。
    Entry e = (Entry)getEntry(key);

    if (e == null)
        return null;

    // 记录访问顺序。
    e.recordAccess(this);
    return e.value;
}

void recordAccess(HashMap m) {

    linkedHashMap lm = (linkedHashMap)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);

    }
}

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 eldest)方法,在将新条目插入到映射后,put 和 putAll 将调用此方法。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。

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry 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;
}