【死磕 Java 集合】— LinkedHashMap源碼分析

 

簡介

LinkedHashMap內部維護了一個雙向鏈表，能保證元素按插入的順序訪問，也能以訪問順序訪問，可以用來實現LRU緩存策略。

LinkedHashMap可以看成是 LinkedList + HashMap。

繼承體系

LinkedHashMap繼承HashMap，擁有HashMap的所有特性，並且額外增加的按一定順序訪問的特性。

存儲結構

我們知道HashMap使用（數組 + 單鏈表 + 紅黑樹）的存儲結構，那LinkedHashMap是怎麼存儲的呢？

通過上面的繼承體系，我們知道它繼承了Map，所以它的內部也有這三種結構，但是它還額外添加了一種“雙向鏈表”的結構存儲所有元素的順序。

添加刪除元素的時候需要同時維護在HashMap中的存儲，也要維護在LinkedList中的存儲，所以性能上來說會比HashMap稍慢。

源碼解析

屬性

/**
* 雙向鏈表頭節點
*/
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

/**
* 雙向鏈表尾節點
*/
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;

/**
* 是否按訪問順序排序
*/
final boolean accessOrder;

（1）head

雙向鏈表的頭節點，舊數據存在頭節點。

（2）tail

雙向鏈表的尾節點，新數據存在尾節點。

（3）accessOrder

是否需要按訪問順序排序，如果爲false則按插入順序存儲元素，如果是true則按訪問順序存儲元素。

內部類

// 位於LinkedHashMap中
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after;
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

// 位於HashMap中
static class Node<K, V> implements Map.Entry<K, V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K, V> next;
}

存儲節點，繼承自HashMap的Node類，next用於單鏈表存儲於桶中，before和after用於雙向鏈表存儲所有元素。

構造方法

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

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

public LinkedHashMap() {
    super();
    accessOrder = false;
}

public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    super();
    accessOrder = false;
    putMapEntries(m, false);
}

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

前四個構造方法accessOrder都等於false，說明雙向鏈表是按插入順序存儲元素。

最後一個構造方法accessOrder從構造方法參數傳入，如果傳入true，則就實現了按訪問順序存儲元素，這也是實現LRU緩存策略的關鍵。

afterNodeInsertion(boolean evict)方法

在節點插入之後做些什麼，在HashMap中的putVal()方法中被調用，可以看到HashMap中這個方法的實現爲空。

void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
        K key = first.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    }
}

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return false;
}

evict，驅逐的意思。

（1）如果evict爲true，且頭節點不爲空，且確定移除最老的元素，那麼就調用HashMap.removeNode()把頭節點移除（這裏的頭節點是雙向鏈表的頭節點，而不是某個桶中的第一個元素）；

（2）HashMap.removeNode()從HashMap中把這個節點移除之後，會調用afterNodeRemoval()方法；

（3）afterNodeRemoval()方法在LinkedHashMap中也有實現，用來在移除元素後修改雙向鏈表，見下文；

（4）默認removeEldestEntry()方法返回false，也就是不刪除元素。

afterNodeAccess(Node<K,V> e)方法

在節點訪問之後被調用，主要在put()已經存在的元素或get()時被調用，如果accessOrder爲true，調用這個方法把訪問到的節點移動到雙向鏈表的末尾。

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    // 如果accessOrder爲true，並且訪問的節點不是尾節點
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
                (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        // 把p節點從雙向鏈表中移除
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;

        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;

        // 把p節點放到雙向鏈表的末尾
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        // 尾節點等於p
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

（1）如果accessOrder爲true，並且訪問的節點不是尾節點；

（2）從雙向鏈表中移除訪問的節點；

（3）把訪問的節點加到雙向鏈表的末尾；（末尾爲最新訪問的元素）

afterNodeRemoval(Node<K,V> e)方法

在節點被刪除之後調用的方法。

void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
    // 把節點p從雙向鏈表中刪除。
    p.before = p.after = null;
    if (b == null)
        head = a;
    else
        b.after = a;
    if (a == null)
        tail = b;
    else
        a.before = b;
}

經典的把節點從雙向鏈表中刪除的方法。

get(Object key)方法

獲取元素。

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
        return null;
    if (accessOrder)
        afterNodeAccess(e);
    return e.value;
}

如果查找到了元素，且accessOrder爲true，則調用afterNodeAccess()方法把訪問的節點移到雙向鏈表的末尾。

總結

（1）LinkedHashMap繼承自HashMap，具有HashMap的所有特性；

（2）LinkedHashMap內部維護了一個雙向鏈表存儲所有的元素；

（3）如果accessOrder爲false，則可以按插入元素的順序遍歷元素；

（4）如果accessOrder爲true，則可以按訪問元素的順序遍歷元素；

（5）LinkedHashMap的實現非常精妙，很多方法都是在HashMap中留的鉤子（Hook），直接實現這些Hook就可以實現對應的功能了，並不需要再重寫put()等方法；

（6）默認的LinkedHashMap並不會移除舊元素，如果需要移除舊元素，則需要重寫removeEldestEntry()方法設定移除策略；

（7）LinkedHashMap可以用來實現LRU緩存淘汰策略；

彩蛋

LinkedHashMap如何實現LRU緩存淘汰策略呢？

首先，我們先來看看LRU是個什麼鬼。LRU，Least Recently Used，最近最少使用，也就是優先淘汰最近最少使用的元素。

如果使用LinkedHashMap，我們把accessOrder設置爲true是不是就差不多能實現這個策略了呢？答案是肯定的。請看下面的代碼：

package com.coolcoding.code;

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;

/**
 * @author: tangtong
 * @date: 2019/3/18
 */
public class LRUTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 創建一個只有5個元素的緩存
        LRU<Integer, Integer> lru = new LRU<>(5, 0.75f);
        lru.put(1, 1);
        lru.put(2, 2);
        lru.put(3, 3);
        lru.put(4, 4);
        lru.put(5, 5);
        lru.put(6, 6);
        lru.put(7, 7);

        System.out.println(lru.get(4));

        lru.put(6, 666);

        // 輸出: {3=3, 5=5, 7=7, 4=4, 6=666}
        // 可以看到最舊的元素被刪除了
        // 且最近訪問的4被移到了後面
        System.out.println(lru);
    }
}

class LRU<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {

    // 保存緩存的容量
    private int capacity;

    public LRU(int capacity, float loadFactor) {
        super(capacity, loadFactor, true);
        this.capacity = capacity;
    }

    /**
    * 重寫removeEldestEntry()方法設置何時移除舊元素
    * @param eldest
    * @return
    */
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
        // 當元素個數大於了緩存的容量, 就移除元素
        return size() > this.capacity;
    }
}