Java集合类源码解析：LinkedHashMap

Posted 2021-01-20 鄙人薛某

前言

今天继续学习关于Map家族的另一个类 LinkedHashMap 。先说明一下，LinkedHashMap 是继承于 HashMap 的，所以本文只针对 LinkedHashMap 的特性学习，跟HashMap 相关的一些特性就不做进一步的解析了，大家有疑惑的可以看之前的博文。

深入解析

LinkedHashMap的基本结构

首先，看一下LinkedHashMap类的定义结构：

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

它继承了 HashMap，并实现了Map接口，所以，LinkedHashMap的数据结构和HashMap非常相似，都是散列表的结构，同时继承了很多HashMap的成员变量和方法，例如加载因子，容量，桶等，但在细节上却有些许不同，比如：

• HashMap中 ‘’桶“ 的链表结点是单向的结点，而LinkedHashMap 中的链表结点多出了前后的指向属性，所以LinkedHashMap 中桶的链表是双向链表；
• HashMap中的链表只做数据存储，LinkedHashMap 的链表控制存储顺序；
• HashMap桶的链表产生是因为产生hash碰撞，所有数据形成链表 (红黑树) 存储在一个桶中，LinkedHashMap 中双向链表会串联所有的数据，也就是说有桶中的数据都是会被这个双向链表管理。

这些区别正是我们专门费劲学习LinkedHashMap 的原因，不然直接用HashMap完了，省事。

下面开始一一深入了解。

LinkedHashMap的实体类Entry

LinkedHashMap 类中有专门为双向链表的结点作为载体的实体类Entry，它继承了HashMap中的Entry，并加入了两个属性before, after ，用于指向前后结点的指针。

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);
    }
}

因为这两个指针，桶中的链表才能实现双向链表的功能，将所有的节点已链表的形式串联一起来 ，这是LinkedHashMap 的结构图 （摘自 Java集合之LinkedHashMap）：

新的属性

LinkedHashMap继承了HashMap的所有非private属性，同时也多了几个新的属性，分别是

//双向链接的头结点，最久的
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

//双向链接的尾结点，最新的
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;

//true表示最近最少使用次序(LRU)，false表示插入顺序
final boolean accessOrder;

看完三个属性后，我们再来看看默认的构造方法：

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;
}

可以看到，LinkedHashMap的构造方法都是默认调用了父类的构造方法，并且几乎都是把属性accessOrder 赋值为false，除了第五个将其作为参数初始化，也就是说，默认情况下，LinkedHashMap创建对象都是采用插入顺序的方式来维持键值对的次序的。

插入顺序解析

下面通过具体的代码来展示 LinkedHashMap 的默认插入顺序效果

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashMap map = new LinkedHashMap<Integer,Integer>();
        for (int i = 1; i<=5;i++){
            map.put(i,i);
        }
        System.out.println("正常输出=="+map.toString());
        map.put(6,6);
        System.out.println("插入元素=="+map.toString());
    }
}
//结果
正常输出=={1=1, 2=2, 3=3, 4=4, 5=5}
插入元素=={1=1, 2=2, 3=3, 4=4, 5=5, 6=6}

可以看出，当插入新元素时，容器会默认把元素放到最后，这是为什么呢？

我们点开put源码进行查看，发现直接跳到了HashMap的put方法，也就是说，LinkedHashMap 类中没有对 put() 做具体的实现，直接复用了父类的方法，这是HashMap中的方法源码：

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)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                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;
}

在HashMap的源码中，初始化容器时调用了newNode()，这个方法在 LinkedHashMap 中做了重载，也是其能实现插入顺序保证的关键，下面看具体的源码：

Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) {
	//秘密是这里初始化的是自己的Entry类，然后调用linkNodeLast
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
        new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    linkNodeLast(p);
    return p;
}

跟踪 linkNodeLast 方法，

// link at the end of list，把节点连接到链表尾处
private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
    //把new的Entry给tail
    tail = p;
    //若没有last，说明p是第一个节点，head=p
    if (last == null)
        head = p;
    else {
    //否则把节点放到链表尾处
        p.before = last;
        last.after = p;
    }
}

到这里就非常清晰了，LinkedHashMap 在插入元素时会调用自己重载的newNode() 方法，new一个自己的Entry方法并把节点放到链表结尾处，这也是它能实现插入元素顺序放置的原因。

LRU算法的实现

前面说到，LinkedHashMap 创建默认的实例可以实现插入顺序的保证效果，它默认初始化的成员变量 accessOrder 的值是false的，如果传入accessOrder 为true，那么就启用LRU算法，下面给个例子演示下：

import java.util.LinkedHashMap;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
       Map map = new LinkedHashMap<Integer,Integer>(20,0.75f,true);
        for (int i = 1; i<=5;i++){
            map.put(i,i);
        }
        System.out.println("正常输出=="+map.toString());
        map.get(3);
        System.out.println("读取元素=="+map.toString());
        map.put(6,6);
        System.out.println("插入元素=="+map.toString());
    }
}
//输出结果
正常输出=={1=1, 2=2, 3=3, 4=4, 5=5}
读取元素=={1=1, 2=2, 4=4, 5=5, 3=3}
插入元素=={1=1, 2=2, 4=4, 5=5, 3=3, 6=6}

可以看到，当初始化的实例时传入值为 true 的 accessOrder 时，不管是插入元素还是读取元素，都是将最近用到的元素放到最后，这是因为 在put 和 get方法中都做了特定的处理。

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

afterNodeAccess的源码解析：

//将最近使用的Node，放在链表的最末尾
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    //仅当按照LRU原则且e不在最末尾，才执行修改链表，将e移到链表最末尾的操作
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        //将p的后一个结点置为null，因为执行后p在末尾，后一个结点肯定为null
        p.after = null;
        //p的前结点不存在，把头结点设置为a
        if (b == null)
            head = a;
        else
        //如果b不为null，那么b的后节点指向a
            b.after = a;
        //如果a节点不为空，a的后节点指向b
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
        //如果a为空，那么b就是尾节点
            last = b;
        //尾节点为null，p直接作为头节点
        if (last == null)
            head = p;
        else {
        //否则就把p作为尾节点
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        //把p赋值给双向链表的尾节点
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

所以，当调用这个方法的时候，就会将节点设置到链表的尾节点，从而也就达到了LRU的效果。

同理，在put方法中也调用了这个方法，不过LinkedHashMap 没有自己的put方法，直接调用的是父类中的方法，在父类的方法中也调用了 afterNodeAccess() 方法。

不过，在HashMap中，afterNodeAccess方法并没有任何实现，LinkedHashMap中重载了该方法，所以，当调用put插入元素时，其实也会调用LinkedHashMap 的afterNodeAccess方法。

除此之外，LinkedHashMap还有很多重载的方法，限于篇幅就不一一介绍了。

总结

最后说明一下，LinkedHashMap是HashMap的一个子类，其特殊实现的仅仅是保存了记录的插入顺序，所以在Iterator迭代器遍历LinkedHashMap时先得到的键值是先插入的，然而，由于其存储沿用了HashMap结构外还多了一个双向顺序链表，所以在一般场景下遍历时会比HashMap慢，此外具备HashMap的所有特性和缺点。

所以，除非是对插入顺序读取比较严格的情况，否则不建议用LinkedHashMap，一般情况下，HashMap足以满足我们的日常使用。