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LinkedHashMap源码剖析

LinkedHashMap简介

LinkedHashMap是HashMap的子类,与HashMap有着同样的存储结构,但它加入了一个双向链表的头结点,将所有put到LinkedHashmap的节点一一串成了一个双向循环链表,因此它保留了节点插入的顺序,可以使节点的输出顺序与输入顺序相同。

LinkedHashMap可以用来实现LRU算法(这会在下面的源码中进行分析)。

LinkedHashMap同样是非线程安全的,只在单线程环境下使用。

LinkedHashMap源码剖析

LinkedHashMap源码如下(加入了详细的注释):

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package java.util;  
import java.io.*;


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

private static final long serialVersionUID = 3801124242820219131L;

//双向循环链表的头结点,整个LinkedHashMap中只有一个header,
//它将哈希表中所有的Entry贯穿起来,header中不保存key-value对,只保存前后节点的引用
private transient Entry<K,V> header;

//双向链表中元素排序规则的标志位。
//accessOrder为false,表示按插入顺序排序
//accessOrder为true,表示按访问顺序排序
private final boolean accessOrder;

//调用HashMap的构造方法来构造底层的数组
public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
super(initialCapacity, loadFactor);
accessOrder = false; //链表中的元素默认按照插入顺序排序
}

//加载因子取默认的0.75f
public LinkedHashMap(int initialCapacity) {
super(initialCapacity);
accessOrder = false;
}

//加载因子取默认的0.75f,容量取默认的16
public LinkedHashMap() {
super();
accessOrder = false;
}

//含有子Map的构造方法,同样调用HashMap的对应的构造方法
public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
super(m);
accessOrder = false;
}

//该构造方法可以指定链表中的元素排序的规则
public LinkedHashMap(int initialCapacity,float loadFactor,boolean accessOrder) {
super(initialCapacity, loadFactor);
this.accessOrder = accessOrder;
}

//覆写父类的init()方法(HashMap中的init方法为空),
//该方法在父类的构造方法和Clone、readObject中在插入元素前被调用,
//初始化一个空的双向循环链表,头结点中不保存数据,头结点的下一个节点才开始保存数据。
void init() {
header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);
header.before = header.after = header;
}


//覆写HashMap中的transfer方法,它在父类的resize方法中被调用,
//扩容后,将key-value对重新映射到新的newTable中
//覆写该方法的目的是为了提高复制的效率,
//这里充分利用双向循环链表的特点进行迭代,不用对底层的数组进行for循环。
void transfer(HashMap.Entry[] newTable) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e = header.after; e != header; e = e.after) {
int index = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[index];
newTable[index] = e;
}
}


//覆写HashMap中的containsValue方法,
//覆写该方法的目的同样是为了提高查询的效率,
//利用双向循环链表的特点进行查询,少了对数组的外层for循环
public boolean containsValue(Object value) {
// Overridden to take advantage of faster iterator
if (value==null) {
for (Entry e = header.after; e != header; e = e.after)
if (e.value==null)
return true;
} else {
for (Entry e = header.after; e != header; e = e.after)
if (value.equals(e.value))
return true;
}
return false;
}


//覆写HashMap中的get方法,通过getEntry方法获取Entry对象。
//注意这里的recordAccess方法,
//如果链表中元素的排序规则是按照插入的先后顺序排序的话,该方法什么也不做,
//如果链表中元素的排序规则是按照访问的先后顺序排序的话,则将e移到链表的末尾处。
public V get(Object key) {
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
if (e == null)
return null;
e.recordAccess(this);
return e.value;
}

//清空HashMap,并将双向链表还原为只有头结点的空链表
public void clear() {
super.clear();
header.before = header.after = header;
}

//Enty的数据结构,多了两个指向前后节点的引用
private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
// These fields comprise the doubly linked list used for iteration.
Entry<K,V> before, after;

//调用父类的构造方法
Entry(int hash, K key, V value, HashMap.Entry<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}

//双向循环链表中,删除当前的Entry
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}

//双向循环立链表中,将当前的Entry插入到existingEntry的前面
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}


//覆写HashMap中的recordAccess方法(HashMap中该方法为空),
//当调用父类的put方法,在发现插入的key已经存在时,会调用该方法,
//调用LinkedHashmap覆写的get方法时,也会调用到该方法,
//该方法提供了LRU算法的实现,它将最近使用的Entry放到双向循环链表的尾部,
//accessOrder为true时,get方法会调用recordAccess方法
//put方法在覆盖key-value对时也会调用recordAccess方法
//它们导致Entry最近使用,因此将其移到双向链表的末尾
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
//如果链表中元素按照访问顺序排序,则将当前访问的Entry移到双向循环链表的尾部,
//如果是按照插入的先后顺序排序,则不做任何事情。
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
//移除当前访问的Entry
remove();
//将当前访问的Entry插入到链表的尾部
addBefore(lm.header);
}
}

void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
remove();
}
}

//迭代器
private abstract class LinkedHashIterator<T> implements Iterator<T> {
Entry<K,V> nextEntry = header.after;
Entry<K,V> lastReturned = null;

/**
* The modCount value that the iterator believes that the backing
* List should have. If this expectation is violated, the iterator
* has detected concurrent modification.
*/
int expectedModCount = modCount;

public boolean hasNext() {
return nextEntry != header;
}

public void remove() {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();

LinkedHashMap.this.remove(lastReturned.key);
lastReturned = null;
expectedModCount = modCount;
}

//从head的下一个节点开始迭代
Entry<K,V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (nextEntry == header)
throw new NoSuchElementException();

Entry<K,V> e = lastReturned = nextEntry;
nextEntry = e.after;
return e;
}
}

//key迭代器
private class KeyIterator extends LinkedHashIterator<K> {
public K next() { return nextEntry().getKey(); }
}

//value迭代器
private class ValueIterator extends LinkedHashIterator<V> {
public V next() { return nextEntry().value; }
}

//Entry迭代器
private class EntryIterator extends LinkedHashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() { return nextEntry(); }
}

// These Overrides alter the behavior of superclass view iterator() methods
Iterator<K> newKeyIterator() { return new KeyIterator(); }
Iterator<V> newValueIterator() { return new ValueIterator(); }
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator() { return new EntryIterator(); }


//覆写HashMap中的addEntry方法,LinkedHashmap并没有覆写HashMap中的put方法,
//而是覆写了put方法所调用的addEntry方法和recordAccess方法,
//put方法在插入的key已存在的情况下,会调用recordAccess方法,
//在插入的key不存在的情况下,要调用addEntry插入新的Entry
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//创建新的Entry,并插入到LinkedHashMap中
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

//双向链表的第一个有效节点(header后的那个节点)为近期最少使用的节点
Entry<K,V> eldest = header.after;
//如果有必要,则删除掉该近期最少使用的节点,
//这要看对removeEldestEntry的覆写,由于默认为false,因此默认是不做任何处理的。
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
} else {
//扩容到原来的2倍
if (size >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
}

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//创建新的Entry,并将其插入到数组对应槽的单链表的头结点处,这点与HashMap中相同
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
//每次插入Entry时,都将其移到双向链表的尾部,
//这便会按照Entry插入LinkedHashMap的先后顺序来迭代元素,
//同时,新put进来的Entry是最近访问的Entry,把其放在链表末尾 ,符合LRU算法的实现
e.addBefore(header);
size++;
}

//该方法是用来被覆写的,一般如果用LinkedHashmap实现LRU算法,就要覆写该方法,
//比如可以将该方法覆写为如果设定的内存已满,则返回true,这样当再次向LinkedHashMap中put
//Entry时,在调用的addEntry方法中便会将近期最少使用的节点删除掉(header后的那个节点)。
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
return false;
}
}

几点总结

关于LinkedHashMap的源码,给出以下几点比较重要的总结:

1、从源码中可以看出,LinkedHashMap中加入了一个head头结点,将所有插入到该LinkedHashMap中的Entry按照插入的先后顺序依次加入到以head为头结点的双向循环链表的尾部。

1、实际上就是HashMap和LinkedList两个集合类的存储结构的结合。在LinkedHashMapMap中,所有put进来的Entry都保存在如第一个图所示的哈希表中,但它又额外定义了一个以head为头结点的空的双向循环链表,每次put进来Entry,除了将其保存到对哈希表中对应的位置上外,还要将其插入到双向循环链表的尾部。

2、LinkedHashMap由于继承自HashMap,因此它具有HashMap的所有特性,同样允许key和value为null。

3、注意源码中的accessOrder标志位,当它false时,表示双向链表中的元素按照Entry插入LinkedHashMap到中的先后顺序排序,即每次put到LinkedHashMap中的Entry都放在双向链表的尾部,这样遍历双向链表时,Entry的输出顺序便和插入的顺序一致,这也是默认的双向链表的存储顺序;当它为true时,表示双向链表中的元素按照访问的先后顺序排列,可以看到,虽然Entry插入链表的顺序依然是按照其put到LinkedHashMap中的顺序,但put和get方法均有调用recordAccess方法(put方法在key相同,覆盖原有的Entry的情况下调用recordAccess方法),该方法判断accessOrder是否为true,如果是,则将当前访问的Entry(put进来的Entry或get出来的Entry)移到双向链表的尾部(key不相同时,put新Entry时,会调用addEntry,它会调用creatEntry,该方法同样将新插入的元素放入到双向链表的尾部,既符合插入的先后顺序,又符合访问的先后顺序,因为这时该Entry也被访问了),否则,什么也不做。

4、注意构造方法,前四个构造方法都将accessOrder设为false,说明默认是按照插入顺序排序的,而第五个构造方法可以自定义传入的accessOrder的值,因此可以指定双向循环链表中元素的排序规则,一般要用LinkedHashMap实现LRU算法,就要用该构造方法,将accessOrder置为true。

5、LinkedHashMap并没有覆写HashMap中的put方法,而是覆写了put方法中调用的addEntry方法和recordAccess方法,我们回过头来再看下HashMap的put方法:

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// 将“key-value”添加到HashMap中      
public V put(K key, V value) {
// 若“key为null”,则将该键值对添加到table[0]中。
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 若“key不为null”,则计算该key的哈希值,然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
// 若“该key”对应的键值对已经存在,则用新的value取代旧的value。然后退出!
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}

// 若“该key”对应的键值对不存在,则将“key-value”添加到table中
modCount++;
//将key-value添加到table[i]处
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

当要put进来的Entry的key在哈希表中已经在存在时,会调用recordAccess方法,当该key不存在时,则会调用addEntry方法将新的Entry插入到对应槽的单链表的头部。

我们先来看recordAccess方法:

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//覆写HashMap中的recordAccess方法(HashMap中该方法为空),  
//当调用父类的put方法,在发现插入的key已经存在时,会调用该方法,
//调用LinkedHashmap覆写的get方法时,也会调用到该方法,
//该方法提供了LRU算法的实现,它将最近使用的Entry放到双向循环链表的尾部,
//accessOrder为true时,get方法会调用recordAccess方法
//put方法在覆盖key-value对时也会调用recordAccess方法
//它们导致Entry最近使用,因此将其移到双向链表的末尾
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
//如果链表中元素按照访问顺序排序,则将当前访问的Entry移到双向循环链表的尾部,
//如果是按照插入的先后顺序排序,则不做任何事情。
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
//移除当前访问的Entry
remove();
//将当前访问的Entry插入到链表的尾部
addBefore(lm.header);
}
}

该方法会判断accessOrder是否为true,如果为true,它会将当前访问的Entry(在这里指put进来的Entry)移动到双向循环链表的尾部,从而实现双向链表中的元素按照访问顺序来排序(最近访问的Entry放到链表的最后,这样多次下来,前面就是最近没有被访问的元素,在实现、LRU算法时,当双向链表中的节点数达到最大值时,将前面的元素删去即可,因为前面的元素是最近最少使用的),否则什么也不做。

再来看addEntry方法:

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//覆写HashMap中的addEntry方法,LinkedHashmap并没有覆写HashMap中的put方法,  
//而是覆写了put方法所调用的addEntry方法和recordAccess方法,
//put方法在插入的key已存在的情况下,会调用recordAccess方法,
//在插入的key不存在的情况下,要调用addEntry插入新的Entry
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//创建新的Entry,并插入到LinkedHashMap中
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

//双向链表的第一个有效节点(header后的那个节点)为近期最少使用的节点
Entry<K,V> eldest = header.after;
//如果有必要,则删除掉该近期最少使用的节点,
//这要看对removeEldestEntry的覆写,由于默认为false,因此默认是不做任何处理的。
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
} else {
//扩容到原来的2倍
if (size >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
}

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//创建新的Entry,并将其插入到数组对应槽的单链表的头结点处,这点与HashMap中相同
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
//每次插入Entry时,都将其移到双向链表的尾部,
//这便会按照Entry插入LinkedHashMap的先后顺序来迭代元素,
//同时,新put进来的Entry是最近访问的Entry,把其放在链表末尾 ,符合LRU算法的实现
e.addBefore(header);
size++;
}

同样是将新的Entry插入到table中对应槽所对应单链表的头结点中,但可以看出,在createEntry中,同样把新put进来的Entry插入到了双向链表的尾部,从插入顺序的层面来说,新的Entry插入到双向链表的尾部,可以实现按照插入的先后顺序来迭代Entry,而从访问顺序的层面来说,新put进来的Entry又是最近访问的Entry,也应该将其放在双向链表的尾部。

上面还有个removeEldestEntry方法,该方法如下:

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    //该方法是用来被覆写的,一般如果用LinkedHashmap实现LRU算法,就要覆写该方法,  
//比如可以将该方法覆写为如果设定的内存已满,则返回true,这样当再次向LinkedHashMap中put
//Entry时,在调用的addEntry方法中便会将近期最少使用的节点删除掉(header后的那个节点)。
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
return false;
}
}

该方法默认返回false,我们一般在用LinkedHashMap实现LRU算法时,要覆写该方法,一般的实现是,当设定的内存(这里指节点个数)达到最大值时,返回true,这样put新的Entry(该Entry的key在哈希表中没有已经存在)时,就会调用removeEntryForKey方法,将最近最少使用的节点删除(head后面的那个节点,实际上是最近没有使用)。

6、LinkedHashMap覆写了HashMap的get方法:

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//覆写HashMap中的get方法,通过getEntry方法获取Entry对象。  
//注意这里的recordAccess方法,
//如果链表中元素的排序规则是按照插入的先后顺序排序的话,该方法什么也不做,
//如果链表中元素的排序规则是按照访问的先后顺序排序的话,则将e移到链表的末尾处。
public V get(Object key) {
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
if (e == null)
return null;
e.recordAccess(this);
return e.value;
}

先取得Entry,如果不为null,一样调用recordAccess方法,上面已经说得很清楚,这里不在多解释了。

7、最后说说LinkedHashMap是如何实现LRU的。首先,当accessOrder为true时,才会开启按访问顺序排序的模式,才能用来实现LRU算法。我们可以看到,无论是put方法还是get方法,都会导致目标Entry成为最近访问的Entry,因此便把该Entry加入到了双向链表的末尾(get方法通过调用recordAccess方法来实现,put方法在覆盖已有key的情况下,也是通过调用recordAccess方法来实现,在插入新的Entry时,则是通过createEntry中的addBefore方法来实现),这样便把最近使用了的Entry放入到了双向链表的后面,多次操作后,双向链表前面的Entry便是最近没有使用的,这样当节点个数满的时候,删除的最前面的Entry(head后面的那个Entry)便是最近最少使用的Entry。

-------------本文结束感谢您的阅读-------------