LinkedHashMap的实现原理

LinkedHashMap 的实现原理

LinkedHashMap 概述

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。与 HashMap 不同，LinkedHashMap 维护着一个运行于所有条目的双向链接列表，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。

LinkedHashMap 的实现原理

对于 LinkedHashMap 而言，它继承自 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。

Entry 元素

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：

/** 
 * 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;  
    // ...  
}

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。例如：

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;  
}

存储操作

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 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。

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 addBefore 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;  
}

读取操作

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。由于链表的增加、删除操作是常数级时间复杂度，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<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);  
    }  
}

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：

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，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<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;  
}

版本说明

注意：本文源码分析基于 Java 7 及之前版本（如 HashMap.Entry、init() 钩子方法等）。在 Java 8 及后续版本中，HashMap 与 LinkedHashMap 的底层实现进行了重构（例如引入 Node 节点、红黑树优化等），部分方法签名与内部结构有所变化，但核心设计思想（哈希表 + 双向链表）保持一致。

本文地址：https://1diff.fun/archives/linkedhashmap-de-shi-xian-yuan-li.html

如果对本文有什么问题或疑问都可以在评论区留言，我看到后会尽量解答。

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