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Java 集合学习系列(四) LinkedHashMap 的实现原理

wersdffg
 wersdffg
发布于 2015/02/15 16:56
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1. 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。此类不保证映射的顺序,特别
是它不保证该顺序恒久不变。
LinkedHashMap 实现与 HashMap 的不同之处在于,后者维护着一个运行于所有条目
的双重链接列表。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。
2. LinkedHashMap 的实现
对于 LinkedHashMap 而言,它继承与 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:

1) 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:

Java 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;  
      ……  
}

2)  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。如:

Java 代码

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {  
      super(initialCapacity, loadFactor);  
      accessOrder = false;  
  }

HashMap 中的相关构造方法:
Java 代码

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。
Java 代码

void init() {  

      header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);  

      header.before = header.after = header;  

  }

3)  存储:
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。
Java 代码

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);  

      }  

  }

Java 代码 

  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 addBrefore 方法,将元素加入到哈希、双向链接列表。  

      e.addBefore(header);  

      size++;  

  }

Java 代码 

  private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {  
      after  = existingEntry;  
      before = existingEntry.before;  
      before.after = this;  
      after.before = this;  
  }

4)  读取:
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。由于的链表的增加、删除操作是常量
级的,故并不会带来性能的损失。

Java 代码 

 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;  

  }

Java 代码 

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);  

      }  

  }

5)  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。

Java 代码 

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,如:
Java 代码 

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:
Java 代码 

 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。
Java 代码 

  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。

Java 代码 

 private static final int MAX_ENTRIES = 100;  

 protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {  

     return size() > MAX_ENTRIES;  

}

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