关于java:JDK源码分析LinkedHashMap

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1. 概述

前文「JDK 源码剖析 -HashMap(1)」剖析了 HashMap 次要办法的实现原理（其余问题当前剖析），本文剖析下 LinkedHashMap。

先看一下 LinkedHashMap 的类继承结构图：

能够看到 LinkedHashMap 继承了 HashMap。

咱们晓得 HashMap 是无序的，即迭代器的程序与插入程序没什么关系。而 LinkedHashMap 在 HashMap 的根底上减少了程序：别离为「插入程序」和「拜访程序」。即遍历 LinkedHashMap 时，能够放弃与插入程序统一的程序；或者与拜访程序统一的程序。

LinkedHashMap 外部如何实现这两种程序的呢？它是通过一个双链表来维持的。因而能够将 LinkedHashMap 了解为「双链表 + 散列表」，或者“有序的散列表”。

2. 代码剖析

2.1 节点类 Entry

LinkedHashMap 外部有一个嵌套类 Entry，它继承自 HashMap 中的 Node 类，如下：

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);
    }
}
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;
    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }
    // ...
}

该 Entry 类就是 LinkedHashMap 中的节点类。能够看到，它在 Node 类的根底上又减少了 before 和 after 两个变量，它们保留的是节点的前驱和后继（从字面意思也能够进行揣测），从而来保护 LinkedHashMap 的程序。

2.2 成员变量 

/**
 * The head (eldest) of the doubly linked list.
 */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

/**
 * The tail (youngest) of the doubly linked list.
 */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;

/**
 * The iteration ordering method for this linked hash map: true
 * for access-order, false for insertion-order.
 * LinkedHashMap 的迭代程序：true 为拜访程序；false 为插入程序。*/
final boolean accessOrder;

2.3 结构器

  • 结构器 1 
/**
 * Constructs an empty insertion-ordered LinkedHashMap instance
 * with the default initial capacity (16) and load factor (0.75).
 */
public LinkedHashMap() {super();
    accessOrder = false;
}

这里的 super() 办法调用了 HashMap 的无参结构器。该结构器办法结构了一个容量为 16（默认初始容量）、负载因子为 0.75（默认负载因子）的空 LinkedHashMap，其程序为插入程序。

  • 结构器 2、3、4、5
public LinkedHashMap(int initialCapacity) {super(initialCapacity);
    accessOrder = false;
}

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

能够看到下面几个结构器都是通过调用父类（HashMap）的结构器办法初始化，对此不再进行剖析。后面 4 个结构器的 accessOrder 变量默认值都为 false；最初一个略微不一样，它的 accessOrder 能够在初始化时指定，即指定 LinkedHashMap 的程序（插入或拜访程序）。

2.4 put 办法

LinkedHashMap 自身没有实现 put 办法，它通过调用父类（HashMap）的办法来进行读写操作。这里再贴下 HashMap 的 put 办法：

public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 新的 bin 节点
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // key 已存在
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 散列抵触
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 遍历链表
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 将新节点插入到链表开端
                if ((e = p.next) == null) {p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

这个办法哪个中央跟 LinkedHashMap 有分割呢？如何能放弃 LinkedHashMap 的程序呢？且看其中的 newNode() 办法，它在 HashMap 中的代码如下：

Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {return new Node<>(hash, key, value, next);
}

然而，LinkedHashMap 重写了该办法：

// 新建一个 LinkedHashMap.Entry 节点
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) {
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
        new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    // 将新节点连贯到列表开端
    linkNodeLast(p);
    return p;
}
// link at the end of list
private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
    tail = p;
    // list 为空
    if (last == null)
        head = p;
    else {
        // 将新节点插入到 list 开端
        p.before = last;
        last.after = p;
    }
}

能够看到，每次插入新节点时，都会存到列表的开端。原来如此，LinkedHashMap 的插入程序就是在这里实现的。

此外，上文剖析 HashMap 时提到两个回调办法：afterNodeAccess 和 afterNodeInsertion。它们在 HashMap 中是空的：

// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) {}

同样，LinkedHashMap 对它们进行了重写。先来剖析 afterNodeAccess 办法：

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    // accessOrder 为 true 示意拜访程序
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        // p 为拜访的节点，b 为其前驱，a 为其后继
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        p.after = null;
        // p 是头节点
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

为了便于剖析和了解，这里画出了两个操作示意图：

这里形容了进行该操作前后的两种状况。能够看到，该办法执行后，节点 p 被移到了 list 的开端。

2.5 get 办法

LinkedHashMap 重写了 HashMap 的 get 办法，次要是为了维持拜访程序，代码如下：

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
        return null;
    // 若为拜访程序，将拜访的节点移到列表开端
    if (accessOrder)
        afterNodeAccess(e);
    return e.value;
}

这里的 getNode 办法是父类的（HashMap）。若 accessOrder 为 true（即指定为拜访程序），则将拜访的节点移到列表开端。

LinkedHashMap 中重写的 afterNodeInsertion 办法：

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);
    }
}

// LinkedHashMap 中默认的返回值为 false，即这里的 removeNode 办法不执行
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {return false;}

removeNode 办法是父类 HashMap 中的：

final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable
) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    // table 不为空，且给的的 hash 值所在位置不为空
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        // 给定 key 对应的节点，在数组中第一个地位
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;
        // 给定的 key 所在位置为红黑树或链表
        else if ((e = p.next) != null) {if (p instanceof TreeNode)
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            else {
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        // 删除节点
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) {if (node instanceof TreeNode)
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            else if (node == p)
                tab[index] = node.next;
            else
                p.next = node.next;
            ++modCount;
            --size;
            // 删除节点后的操作
            afterNodeRemoval(node);
            return node;
        }
    }
    return null;
}

afterNodeRemoval 办法在 HashMap 中的实现也是空的：

void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) {}

LinkedHashMap 重写了该办法：

void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
        (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
    p.before = p.after = null;
    if (b == null)
        head = a;
    else
        b.after = a;
    if (a == null)
        tail = b;
    else
        a.before = b;
}

该办法就是双链表删除一个节点的操作。

3. 用法示例

3.1 LinkedHashMap 用法

咱们晓得 HashMap 是无序的，例如：

Map<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("bush", "a");
map.put("obama", "b");
map.put("trump", "c");
map.put("lincoln", "d");
System.out.println(map);

// 输入后果（无序）：// {obama=b, trump=c, lincoln=d, bush=a}

而若换成 LinkedHashMap，则能够放弃插入的程序：

Map<String, String> map = new LinkedHashMap<>();
map.put("bush", "a");
map.put("obama", "b");
map.put("trump", "c");
map.put("lincoln", "d");
System.out.println(map);

// 输入后果（插入程序）：// {bush=a, obama=b, trump=c, lincoln=d}

指定 LinkedHashMap 的程序为拜访程序：

Map<String, String> map = new LinkedHashMap<>(2, 0.75f, true);
map.put("bush", "a");
map.put("obama", "b");
map.put("trump", "c");
map.put("lincoln", "d");
System.out.println(map);

map.get("obama");
System.out.println(map);

// 输入后果（插入程序）：// {bush=a, obama=b, trump=c, lincoln=d}

// 拜访 obama 后，obama 移到了开端
// {bush=a, trump=c, lincoln=d, obama=b}

3.2 实现 LRU 缓存 

private static class LRUCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
  private int capacity;
  
  public LRUCache(int capacity) {super(16, 0.75f, true);
    this.capacity = capacity;
  }
  
  @Override
  protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {return size() > capacity;
  }
}

应用举例：

LRUCache<String, String> lruCache = new LRUCache<>(2);
lruCache.put("bush", "a");
lruCache.put("obama", "b");
lruCache.put("trump", "c");
System.out.println(lruCache);

// 输入后果：// {obama=b, trump=c}

这里定义的 LRUCache 类中，对 removeEldestEntry 办法进行了重写，当缓存中的容量大于 2，时会把最早插入的元素 “bush” 删除。因而只剩下两个值。

4. 小结

  1. LinkedHashMap 继承自 HashMap，其构造能够了解为「双链表 + 散列表」；
  2. 能够保护两种程序：插入程序或拜访程序；
  3. 能够不便的实现 LRU 缓存；
  4. 线程不平安。

正文完
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2021-02-07
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