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Java集合框架之LinkedHashMap源码分析详解

程序员文章站 2022-04-28 18:37:24
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这篇文章主要介绍了Java集合框架源码分析之LinkedHashMap详解,内容包括了linkedhashmap的简介和源码剖析以及关于LinkedHashMap的源码总结,内容丰富,需要的朋友可以参考下。

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):


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; 
  } 
}

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:


// 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:


//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:


//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:


 //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:


//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。

结束语

以上就是Java集合框架之LinkedHashMap源码分析详解的详细内容,更多请关注其它相关文章!