jdk源码阅读笔记-LinkedHashMap

2018-11-20 03:19:18来源：博客园阅读 ()

　　Map是Java collection framework 中重要的组成部分，特别是HashMap是在我们在日常的开发的过程中使用的最多的一个集合。但是遗憾的是，存放在HashMap中元素都是无序的，原因是我们在put或get数据的时候都是根据key的hash值来确定元素的位置。在具体的业务场景中，我们更多的希望对于HashMap集合能够进行顺序访问，好在 jdk 中已经给我们提供了一种解决方案，那就是LinkedHashMap。该类继承与HashMap，因此HashMap拥有的特性它都有，同时还具备其他的特性，比如实现了插入顺序排序和访问顺序排序，默认以插入顺序排序。同时也能够利用LinkedHashMap实现LRU算法。LinkedHashMap api很少，基本都是调用HashMap的方法，所以建议熟悉HashMap源码之后再来看这篇文章，我之前也写过【HashMap源码分析笔记】，大家可以点进去参考一下。

　　LRU算法： LRU是Least Recently Used的缩写，即最近最少使用，也就是说将热点数据放到最前面，冷门数据放到最后，当达到一定条件后会删除冷门数据，在一个缓存系统中经常会用到该算法。

　　一、LinkedHashMap与HashMap数据结构对比

　　从上图可以看到HashMap的数据结构位数组+单向链表，数据存放在链表的node节点上，每个node节点上都有一个指针指向下一个节点，每个数组index上的链表跟其他的index上面的链表是部相互链接的。LinkedHashMap在部破坏HashMap的结构基础之上，每个node节点都额外增加了两个指针，分别指向了前一个节点和下一个节点，所以在HashMap上所有的node节点形成了一条双向链表，每次添加往LinkedHashMap put数据的时候都将节点放在双向链表的最后位置，从而实现了插入顺序排序。在LinkedHashMap中，节点的定义如下：

/**
     * HashMap.Node subclass for normal LinkedHashMap entries.
     */
    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);
        }
    }

　　节点继承与HashMap的 Node内部类，但是又额外添加了两个属性，before和after，分别指向前一个节点和后一个节点，形成一个双向链表。

　　二、LinkedHashMap类结构

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

　　LinkedHashMap继承了HashMap，所以拥有HashMap的所有特性。

　　三、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: <tt>true</tt>
     * for access-order, <tt>false</tt> for insertion-order.
     *
     * @serial
     */
    final boolean accessOrder;

　　LinkedHashMap在HashMap的基础之上添加了head、tail和accessOrder属性：

　　head：双向链表的表头

　　tail：双向链表的表尾

　　accessOrder：排序的标志。默认为false，按插入顺序排序。可以通过构造方法设置为true，按访问顺序排序。

　　四、构造方法

    /**
     * Constructs an empty insertion-ordered <tt>LinkedHashMap</tt> instance
     * with the specified initial capacity and load factor.
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @param  loadFactor      the load factor
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     *         or the load factor is nonpositive
     */
    public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        accessOrder = false;
    }

    /**
     * Constructs an empty insertion-ordered <tt>LinkedHashMap</tt> instance
     * with the specified initial capacity and a default load factor (0.75).
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     */
    public LinkedHashMap(int initialCapacity) {
        super(initialCapacity);
        accessOrder = false;
    }

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

    /**
     * Constructs an insertion-ordered <tt>LinkedHashMap</tt> instance with
     * the same mappings as the specified map.  The <tt>LinkedHashMap</tt>
     * instance is created with a default load factor (0.75) and an initial
     * capacity sufficient to hold the mappings in the specified map.
     *
     * @param  m the map whose mappings are to be placed in this map
     * @throws NullPointerException if the specified map is null
     */
    public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        super();
        accessOrder = false;
        putMapEntries(m, false);
    }

    /**
     * Constructs an empty <tt>LinkedHashMap</tt> instance with the
     * specified initial capacity, load factor and ordering mode.
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @param  loadFactor      the load factor
     * @param  accessOrder     the ordering mode - <tt>true</tt> for
     *         access-order, <tt>false</tt> for insertion-order
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     *         or the load factor is nonpositive
     */
    public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor,
                         boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        this.accessOrder = accessOrder;
    }

　　5个构造方法都是直接调用父类HashMap的构造方法。

　　五、添加数据put(Object key,V value)

　　LinkedHashMap中并没有对HashMap进行复写，也就是说添加数据的时候其实就是调用的HashMap的put方法，那么它是怎么进行排序的呢？下面我们一起来看看HashMap中是怎么添加数据的吧。

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;
        /**
         * 通过位与的方式来确定下标位置，判断当前下标位置是否为空，如果为空直接放入到该位置上
         * 不为空则通过equals方法来寻找当前位置上面的元素，如果有相同的key，则将覆盖掉，如果没有则将node放置在对应
         * 位置上面
         */
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//直接放到数组中
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);//创建新节点
        else {//当前位置不为空
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//已存在相同的key的数据，将其覆盖
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//当前位置是红黑树，将Node节点放到红黑树中
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//创建新树节点
            else {//为链表的情况
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);//创建新节点
                        //链表的长度超过转换红黑数的阈值，则将该链表转成红黑树
                        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))))//覆盖相同key的node
                        break;
                    p = e;
                }
            }
　　　　　　　　//map中已经存在了相同的key，将原来的数据替换掉
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);//替换数据被视为更新数据，所以调用访问排序方法。
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;//快速失败机制
        if (++size > threshold)//每次插入数据都要判断一下当前存储的数据是否需要扩容
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);//插入数据后进行插入排序
        return null;
    }

　　　HashMap 插入数据的核心方法为 putVal方法，每次插入数据都调用newNode方法，这个方法LinkedHashMap 中已经重写了：

   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);
        linkNodeLast(p);
        return p;
    }

　　第一：因为已经重写了父类的newNode方法，所以在插入数据时创建新节点实际是调用了LinkedHashMap的newNode方法，该方法中每次创建新节点都想LinkedHashMap自身维护的双向链表的尾部添加一个当前新创节点，我们继续看看linkNodeLast方法：

 private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
        tail = p;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
    }

　　这个方法很简单，如果链表为空则将新节点设置为头部和尾部，否则将新节点放到链表的最后，将新节点的前指针指向原尾部的节点，原尾部节点的后指针指向新节点。如果不明白具体的插入流程，可参考我之前的【ArrayList源码阅读笔记】，里面有详细插入各个位置的流程。

　　第二：创建新节点完成后，将新节点放入对象的链表或树中，如果新节点的key在HashMap中已经存在，那么就会原来的value覆盖掉，此时被视为修改了节点，调用afterNodeAccess(e)方法，LinkedHashMap对这个方法进行了重写，我们看一下源码：

    /**
     * 每次访问节点后将该节点放在最后
     * @param e
     */
    void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
        LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
        if (accessOrder && (last = tail) != e) {
            LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
                (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
            p.after = null;
            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;
        }
    }

　　该方法中，如果 accessOrder 为true并且访问节点不为空，那么就会将访问过的节点移动到最后。这也就是实现了LRU算法，具体移动路程如下：

　　第三：插入数据全部完成之后，执行afterNodeInsertion(evict)方法，evict为true，LinkedHashMap重写的该方法：

    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);
        }
    }

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

　　afterNodeInsertion方法是用来删除最旧最少使用的数据，上面提到过，每次访问、修改map中的数据的时候都会将该节点放在链表的最后面，因此约靠前的数据使用的频率的越低，我们称之为冷数据，该方法就是将最冷门的数据删除掉。removeEldestEntry方法默认返回false，所以LinkedHashMap本身并不提供LRU算法，需要自己手动实现LinkedHashMap，然后重写removeEldestEntry方法，根据自己具体的业务决定何时删除冷数据。

　　总结：这里只总结LinkedHashMap实现部分。在put数据的时候，LinkedHashMap不仅将数据放在HashMap中，同时也将该数据放在自己维护的双向链表的最后，以实现顺序排序。如果put进去的数据的key已经存在与Map中，则将该数据移动到链表的最后位置。插入数据完成后，根据子类具体实现情况是否将第一个数据删除。

　　六、获取数据get(key)

 /**
     * Returns the value to which the specified key is mapped,
     * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
     *
     * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
     * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
     * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
     * it returns {@code null}.  (There can be at most one such mapping.)
     *
     * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
     * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
     * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
     * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
     * distinguish these two cases.
     */
    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;
    }

　　这个方法看起来也比较简单，如果accessOrder为true，即按访问顺序排序，那个每次都将该数据放到链表的最后面。

　　七、其他方法

　　LinkedHashMap本身的方法比较少，而且大部分都是调用父类的方法，所以在这里就不说了，可以看看HashMap的源码。

　　八、总结

　　LinkedHashMap继承与HashMap，因此它有HashMap一样的特性。同时也弥补了HashMap无法顺序遍历的缺点。LinkedHashMap可以实现插入顺序排序（默认排序），也可以根据访问顺序排序，也就是访问的元素次数越多，该元素就越靠前。实现顺序遍历的底层原理是，LinkedHashMap自身维护了一张双向链表，为此插入、访问或修改数据的时候都将该节点放在链表最后面。按默认排序方式的话，在遍历的时候就从表头开始遍历，按访问顺序排序就从链表表尾开始遍历。另外，LinkedHashMap也可以用来搭建一个缓存系统底层存储结构，后面如果我有空的话，可能也会手写一个简单的缓存demo。最后，如果文章有什么写的不对的地方，欢迎大家提出来，我的qq：1170971295。

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