图解LinkedHashMap原理
Posted xuxinstyle
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了图解LinkedHashMap原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
1 前言
LinkedHashMap继承于HashMap，如果对HashMap原理还不清楚的同学，请先看上一篇：图解HashMap原理
2 LinkedHashMap使用与实现
先来一张LinkedHashMap的结构图，不要虚，看完文章再来看这个图，就秒懂了，先混个面熟：
2.1 应用场景
HashMap是无序的，当我们希望有顺序地去存储key-value时，就需要使用LinkedHashMap了。
Map<String, String> hashMap = new HashMap<String, String>();
hashMap.put("name1", "josan1");
hashMap.put("name2", "josan2");
hashMap.put("name3", "josan3");
Set<Entry<String, String>> set = hashMap.entrySet();
Iterator<Entry<String, String>> iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Entry entry = iterator.next();
String key = (String) entry.getKey();
String value = (String) entry.getValue();
System.out.println("key:" + key + ",value:" + value);
}
我们是按照xxx1、xxx2、xxx3的顺序插入的，但是输出结果并不是按照顺序的。
同样的数据，我们再试试LinkedHashMap
Map<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();
linkedHashMap.put("name1", "josan1");
linkedHashMap.put("name2", "josan2");
linkedHashMap.put("name3", "josan3");
Set<Entry<String, String>> set = linkedHashMap.entrySet();
Iterator<Entry<String, String>> iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Entry entry = iterator.next();
String key = (String) entry.getKey();
String value = (String) entry.getValue();
System.out.println("key:" + key + ",value:" + value);
}
结果可知，LinkedHashMap是有序的，且默认为插入顺序。
2.2 简单使用
跟HashMap一样，它也是提供了key-value的存储方式，并提供了put和get方法来进行数据存取。
LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();
linkedHashMap.put("name", "josan");
String name = linkedHashMap.get("name");
2.3 定义
LinkedHashMap继承了HashMap，所以它们有很多相似的地方。
public class LinkedHashMap<K,V>
extends HashMap<K,V>
implements Map<K,V>
{
2.4 构造方法
LinkedHashMap提供了多个构造方法，我们先看空参的构造方法。
public LinkedHashMap() {
// 调用HashMap的构造方法，其实就是初始化Entry[] table
super();
// 这里是指是否基于访问排序，默认为false
accessOrder = false;
}
首先使用super调用了父类HashMap的构造方法，其实就是根据初始容量、负载因子去初始化Entry[] table，详细的看上一篇HashMap解析。
然后把accessOrder设置为false，这就跟存储的顺序有关了，LinkedHashMap存储数据是有序的，而且分为两种：插入顺序和访问顺序。
这里accessOrder设置为false，表示不是访问顺序而是插入顺序存储的，这也是默认值，表示LinkedHashMap中存储的顺序是按照调用put方法插入的顺序进行排序的。LinkedHashMap也提供了可以设置accessOrder的构造方法，我们来看看这种模式下，它的顺序有什么特点？
// 第三个参数用于指定accessOrder值
Map<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true);
linkedHashMap.put("name1", "josan1");
linkedHashMap.put("name2", "josan2");
linkedHashMap.put("name3", "josan3");
System.out.println("开始时顺序：");
Set<Entry<String, String>> set = linkedHashMap.entrySet();
Iterator<Entry<String, String>> iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Entry entry = iterator.next();
String key = (String) entry.getKey();
String value = (String) entry.getValue();
System.out.println("key:" + key + ",value:" + value);
}
System.out.println("通过get方法，导致key为name1对应的Entry到表尾");
linkedHashMap.get("name1");
Set<Entry<String, String>> set2 = linkedHashMap.entrySet();
Iterator<Entry<String, String>> iterator2 = set2.iterator();
while(iterator2.hasNext()) {
Entry entry = iterator2.next();
String key = (String) entry.getKey();
String value = (String) entry.getValue();
System.out.println("key:" + key + ",value:" + value);
}
因为调用了get("name1")导致了name1对应的Entry移动到了最后，这里只要知道LinkedHashMap有插入顺序和访问顺序两种就可以，后面会详细讲原理。
还记得，上一篇HashMap解析中提到，在HashMap的构造函数中，调用了init方法，而在HashMap中init方法是空实现，但LinkedHashMap重写了该方法，所以在LinkedHashMap的构造方法里，调用了自身的init方法，init的重写实现如下：
/**
* Called by superclass constructors and pseudoconstructors (clone,
* readObject) before any entries are inserted into the map. Initializes
* the chain.
*/
void init() {
// 创建了一个hash=-1，key、value、next都为null的Entry
header = new Entry<>(-1, null, null, null);
// 让创建的Entry的before和after都指向自身，注意after不是之前提到的next
// 其实就是创建了一个只有头部节点的双向链表
header.before = header.after = header;
}
这好像跟我们上一篇HashMap提到的Entry有些不一样，HashMap中静态内部类Entry是这样定义的：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
没有before和after属性啊！原来，LinkedHashMap有自己的静态内部类Entry，它继承了HashMap.Entry，定义如下:
/**
* LinkedHashMap entry.
*/
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;
Entry(int hash, K key, V value, HashMap.Entry<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
所以LinkedHashMap构造函数，主要就是调用HashMap构造函数初始化了一个Entry[] table，然后调用自身的init初始化了一个只有头结点的双向链表。完成了如下操作：
2.5 put方法
LinkedHashMap没有重写put方法，所以还是调用HashMap得到put方法，如下：
public V put(K key, V value) {
// 对key为null的处理
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 计算hash
int hash = hash(key);
// 得到在table中的index
int i = indexFor(hash, table.length);
// 遍历table[index]，是否key已经存在，存在则替换，并返回旧值
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
// 如果key之前在table中不存在，则调用addEntry，LinkedHashMap重写了该方法
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
我们看看LinkedHashMap的addEntry方法：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 调用父类的addEntry，增加一个Entry到HashMap中
super.addEntry(hash, key, value, bucketIndex);
// removeEldestEntry方法默认返回false，不用考虑
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
}
}
这里调用了父类HashMap的addEntry方法，如下：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 扩容相关
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
// LinkedHashMap进行了重写
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
前面是扩容相关的代码，在上一篇HashMap解析中已经讲过了。这里主要看createEntry方法，LinkedHashMap进行了重写。
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
// e就是新创建了Entry，会加入到table[bucketIndex]的表头
Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
// 把新创建的Entry，加入到双向链表中
e.addBefore(header);
size++;
}
我们来看看LinkedHashMap.Entry的addBefore方法：
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}
从这里就可以看出，当put元素时，不但要把它加入到HashMap中去，还要加入到双向链表中，所以可以看出LinkedHashMap就是HashMap+双向链表，下面用图来表示逐步往LinkedHashMap中添加数据的过程，红色部分是双向链表，黑色部分是HashMap结构，header是一个Entry类型的双向链表表头，本身不存储数据。
首先是只加入一个元素Entry1，假设index为0：
当再加入一个元素Entry2，假设index为15：
当再加入一个元素Entry3, 假设index也是0：
以上，就是LinkedHashMap的put的所有过程了，总体来看，跟HashMap的put类似，只不过多了把新增的Entry加入到双向列表中。
2.6 扩容
在HashMap的put方法中，如果发现前元素个数超过了扩容阀值时，会调用resize方法，如下：
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
boolean oldAltHashing = useAltHashing;
useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() &&
(newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing;
// 把旧table的数据迁移到新table
transfer(newTable, rehash);
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
LinkedHashMap重写了transfer方法，数据的迁移，它的实现如下：
void transfer(HashMap.Entry[] newTable, boolean rehash) {
// 扩容后的容量是之前的2倍
int newCapacity = newTable.length;
// 遍历双向链表，把所有双向链表中的Entry，重新就算hash，并加入到新的table中
for (Entry<K,V> e = header.after; e != header; e = e.after) {
if (rehash)
e.hash = (e.key == null) ? 0 : hash(e.key);
int index = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[index];
newTable[index] = e;
}
}
可以看出，LinkedHashMap扩容时，数据的再散列和HashMap是不一样的。
HashMap是先遍历旧table，再遍历旧table中每个元素的单向链表，取得Entry以后，重新计算hash值，然后存放到新table的对应位置。
LinkedHashMap是遍历的双向链表，取得每一个Entry，然后重新计算hash值，然后存放到新table的对应位置。
从遍历的效率来说，遍历双向链表的效率要高于遍历table，因为遍历双向链表是N次（N为元素个数）；而遍历table是N+table的空余个数（N为元素个数）。
2.7 双向链表的重排序
前面分析的，主要是当前LinkedHashMap中不存在当前key时，新增Entry的情况。当key如果已经存在时，则进行更新Entry的value。就是HashMap的put方法中的如下代码：
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
// 重排序
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
主要看e.recordAccess(this)，这个方法跟访问顺序有关，而HashMap是无序的，所以在HashMap.Entry的recordAccess方法是空实现，但是LinkedHashMap是有序的,LinkedHashMap.Entry对recordAccess方法进行了重写。
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
// 如果LinkedHashMap的accessOrder为true，则进行重排序
// 比如前面提到LruCache中使用到的LinkedHashMap的accessOrder属性就为true
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
// 把更新的Entry从双向链表中移除
remove();
// 再把更新的Entry加入到双向链表的表尾
addBefore(lm.header);
}
}
在LinkedHashMap中，只有accessOrder为true，即是访问顺序模式，才会put时对更新的Entry进行重新排序，而如果是插入顺序模式时，不会重新排序，这里的排序跟在HashMap中存储没有关系，只是指在双向链表中的顺序。
举个栗子：开始时，HashMap中有Entry1、Entry2、Entry3，并设置LinkedHashMap为访问顺序，则更新Entry1时，会先把Entry1从双向链表中删除，然后再把Entry1加入到双向链表的表尾，而Entry1在HashMap结构中的存储位置没有变化，对比图如下所示：
2.8 get方法
LinkedHashMap有对get方法进行了重写，如下：
public V get(Object key) {
// 调用genEntry得到Entry
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
if (e == null)
return null;
// 如果LinkedHashMap是访问顺序的，则get时，也需要重新排序
e.recordAccess(this);
return e.value;
}
先是调用了getEntry方法，通过key得到Entry，而LinkedHashMap并没有重写getEntry方法，所以调用的是HashMap的getEntry方法，在上一篇文章中我们分析过HashMap的getEntry方法：首先通过key算出hash值，然后根据hash值算出在table中存储的index，然后遍历table[index]的单向链表去对比key，如果找到了就返回Entry。
后面调用了LinkedHashMap.Entry的recordAccess方法，上面分析过put过程中这个方法，其实就是在访问顺序的LinkedHashMap进行了get操作以后，重新排序，把get的Entry移动到双向链表的表尾。
2.9 遍历方式取数据
我们先来看看HashMap使用遍历方式取数据的过程：
很明显，这样取出来的Entry顺序肯定跟插入顺序不同了，既然LinkedHashMap是有序的，那么它是怎么实现的呢？
先看看LinkedHashMap取遍历方式获取数据的代码：
Map<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();
linkedHashMap.put("name1", "josan1");
linkedHashMap.put("name2", "josan2");
linkedHashMap.put("name3", "josan3");
// LinkedHashMap没有重写该方法，调用的HashMap中的entrySet方法
Set<Entry<String, String>> set = linkedHashMap.entrySet();
Iterator<Entry<String, String>> iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Entry entry = iterator.next();
String key = (String) entry.getKey();
String value = (String) entry.getValue();
System.out.println("key:" + key + ",value:" + value);
}
LinkedHashMap没有重写entrySet方法，我们先来看HashMap中的entrySet，如下：
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
return entrySet0();
}
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
// 无关代码
......
}
可以看到，HashMap的entrySet方法，其实就是返回了一个EntrySet对象。
我们得到EntrySet会调用它的iterator方法去得到迭代器Iterator，从上面的代码也可以看到，iterator方法中直接调用了newEntryIterator方法并返回，而LinkedHashMap重写了该方法
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator() {
return new EntryIterator();
}
这里直接返回了EntryIterator对象，这个和上一篇HashMap中的newEntryIterator方法中一模一样，都是返回了EntryIterator对象，其实他们返回的是各自的内部类。我们来看看LinkedHashMap中EntryIterator的定义：
private class EntryIterator extends LinkedHashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}
该类是继承LinkedHashIterator，并重写了next方法；而HashMap中是继承HashIterator。
我们再来看看LinkedHashIterator的定义：
private abstract class LinkedHashIterator<T> implements Iterator<T> {
// 默认下一个返回的Entry为双向链表表头的下一个元素
Entry<K,V> nextEntry = header.after;
Entry<K,V> lastReturned = null;
public boolean hasNext() {
return nextEntry != header;
}
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;
}
// 不相关代码
......
}
我们先不看整个类的实现，只要知道在LinkedHashMap中，Iterator<Entry<String, String>> iterator = set.iterator()，这段代码会返回一个继承LinkedHashIterator的Iterator，它有着跟HashIterator不一样的遍历规则。
接着，我们会用while(iterator.hasNext())去循环判断是否有下一个元素，LinkedHashMap中的EntryIterator没有重写该方法，所以还是调用LinkedHashIterator中的hasNext方法，如下：
public boolean hasNext() {
// 下一个应该返回的Entry是否就是双向链表的头结点
// 有两种情况：1.LinkedHashMap中没有元素；2.遍历完双向链表回到头部
return nextEntry != header;
}
nextEntry表示下一个应该返回的Entry，默认值是header.after，即双向链表表头的下一个元素。而上面介绍到，LinkedHashMap在初始化时，会调用init方法去初始化一个before和after都指向自身的Entry，但是put过程会把新增加的Entry加入到双向链表的表尾，所以只要LinkedHashMap中有元素，第一次调用hasNext肯定不会为false。
然后我们会调用next方法去取出Entry，LinkedHashMap中的EntryIterator重写了该方法，如下：
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
而它自身又没有重写nextEntry方法，所以还是调用的LinkedHashIterator中的nextEntry方法：
Entry<K,V> nextEntry() {
// 保存应该返回的Entry
Entry<K,V> e = lastReturned = nextEntry;
//把当前应该返回的Entry的after作为下一个应该返回的Entry
nextEntry = e.after;
// 返回当前应该返回的Entry
return e;
}
这里其实遍历的是双向链表，所以不会存在HashMap中需要寻找下一条单向链表的情况，从头结点Entry header的下一个节点开始，只要把当前返回的Entry的after作为下一个应该返回的节点即可。直到到达双向链表的尾部时，after为双向链表的表头节点Entry header，这时候hasNext就会返回false，表示没有下一个元素了。LinkedHashMap的遍历取值如下图所示：
易知，遍历出来的结果为Entry1、Entry2...Entry6。
可得，LinkedHashMap是有序的，且是通过双向链表来保证顺序的。
2.10 remove方法
LinkedHashMap没有提供remove方法，所以调用的是HashMap的remove方法，实现如下：
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
// LinkedHashMap.Entry重写了该方法
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}
在上一篇HashMap中就分析了remove过程，其实就是断开其他对象对自己的引用。比如被删除Entry是在单向链表的表头，则让它的next放到表头，这样它就没有被引用了；如果不是在表头，它是被别的Entry的next引用着，这时候就让上一个Entry的next指向它自己的next，这样，它也就没被引用了。
在HashMap.Entry中recordRemoval方法是空实现，但是LinkedHashMap.Entry对其进行了重写，如下：
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
remove();
}
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}
易知，这是要把双向链表中的Entry删除，也就是要断开当前要被删除的Entry被其他对象通过after和before的方式引用。
所以，LinkedHashMap的remove操作。首先把它从table中删除，即断开table或者其他对象通过next对其引用，然后也要把它从双向链表中删除，断开其他对应通过after和before对其引用。
3 HashMap与LinkedHashMap的结构对比
再来看看HashMap和LinkedHashMap的结构图，是不是秒懂了。LinkedHashMap其实就是可以看成HashMap的基础上，多了一个双向链表来维持顺序
4 LinkedHashMap在android中的应用
在Android中使用图片时，一般会用LruCacha做图片的内存缓存，它里面就是使用LinkedHashMap来实现存储的。
public class LruCache<K, V> {
private final LinkedHashMap<K, V> map;
public LruCache(int maxSize) {
if (maxSize <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("maxSize <= 0");
}
this.maxSize = maxSize;
// 注意第三个参数，是accessOrder，这里为true，后面会讲到
this.map = new LinkedHashMap<K, V>(0, 0.75f, true);
}
前面提到了，accessOrder为true，表示LinkedHashMap为访问顺序，当对已存在LinkedHashMap中的Entry进行get和put操作时，会把Entry移动到双向链表的表尾（其实是先删除，再插入）。
我们拿LruCache的put方法举例：
public final V put(K key, V value) {
if (key == null || value == null) {
throw new NullPointerException("key == null || value == null");
}
V previous;
// 对map进行操作之前，先进行同步操作
synchronized (this) {
putCount++;
size += safeSizeOf(key, value);
previous = map.put(key, value);
if (previous != null) {
size -= safeSizeOf(key, previous);
}
}
if (previous != null) {
entryRemoved(false, key, previous, value);
}
// 整理内存，看是否需要移除LinkedHashMap中的元素
trimToSize(maxSize);
return previous;
}
之前提到了，HashMap是线程不安全的，LinkedHashMap同样是线程不安全的。所以在对调用LinkedHashMap的put方法时，先使用synchronized 进行了同步操作。
我们最关心的是倒数第一行代码，其中maxSize为我们给LruCache设置的最大缓存大小。我们看看该方法：
/**
* Remove the eldest entries until the total of remaining entries is at or
* below the requested size.
*
* @param maxSize the maximum size of the cache before returning. May be -1
* to evict even 0-sized elements.
*/
public void trimToSize(int maxSize) {
// while死循环，直到满足当前缓存大小小于或等于最大可缓存大小
while (true) {
K key;
V value;
// 线程不安全，需要同步
synchronized (this) {
if (size < 0 || (map.isEmpty() && size != 0)) {
throw new IllegalStateException(getClass().getName()
+ ".sizeOf() is reporting inconsistent results!");
}
// 如果当前缓存的大小，已经小于等于最大可缓存大小，则直接返回
// 不需要再移除LinkedHashMap中的数据
if (size <= maxSize || map.isEmpty()) {
break;
}
// 得到的就是双向链表表头header的下一个Entry
Map.Entry<K, V> toEvict = map.entrySet().iterator().next();
key = toEvict.getKey();
value = toEvict.getValue();
// 移除当前取出的Entry
map.remove(key);
// 从新计算当前的缓存大小
size -= safeSizeOf(key, value);
evictionCount++;
}
entryRemoved(true, key, value, null);
}
}
从注释上就可以看出，该方法就是不断移除LinkedHashMap中双向链表表头的元素，直到当前缓存大小小于或等于最大可缓存的大小。
由前面的重排序我们知道，对LinkedHashMap的put和get操作，都会让被操作的Entry移动到双向链表的表尾，而移除是从map.entrySet().iterator().next()开始的，也就是双向链表的表头的header的after开始的，这也就符合了LRU算法的需求。
下图表示了LinkedHashMap中删除、添加、get/put已存在的Entry操作。
红色表示初始状态
紫色表示缓存图片大小超过了最大可缓存大小时，才能够表头移除Entry1
蓝色表示对已存在的Entry3进行了get/put操作，把它移动到双向链表表尾
绿色表示新增一个Entry7，插入到双向链表的表尾（暂时不考虑在HashMap中的位置）
5 总结
- LinkedHashMap是继承于HashMap，是基于HashMap和双向链表来实现的。
- HashMap无序；LinkedHashMap有序，可分为插入顺序和访问顺序两种。如果是访问顺序，那put和get操作已存在的Entry时，都会把Entry移动到双向链表的表尾(其实是先删除再插入)。
- LinkedHashMap存取数据，还是跟HashMap一样使用的Entry[]的方式，双向链表只是为了保证顺序。
- LinkedHashMap是线程不安全的。
以上是关于图解LinkedHashMap原理的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章