Java LinkedHashMap 底层实现原理分析
在实现上,LinkedHashMap很多方法直接继承自HashMap,仅为维护双向链表覆写了部分方法。所以,要看懂 LinkedHashMap 的源码,需要先看懂 HashMap 的源码。
默认情况下,LinkedHashMap的迭代顺序是按照插入节点的顺序。也可以通过改变accessOrder参数的值,使得其遍历顺序按照访问顺序输出。
这里我们只讨论LinkedHashMap和HashMap的不同之处,LinkedHashMap的其他操作和特性具体请参考HashMap
我们先来看下两者的区别:
import java.util.HashMap; import java.util.Iterator; import java.util.LinkedHashMap; import java.util.Map; public class Test04 { public static void main(String[] args) { Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>(); map.put("ahdjkf", "1"); map.put("ifjdj", "2"); map.put("giafdja", "3"); map.put("agad", "4"); map.put("ahdjkge", "5"); map.put("iegnj", "6"); System.out.println("LinkedHashMap的迭代顺序(accessOrder=false):"); Iterator iterator = map.entrySet().iterator(); while (iterator.hasNext()) { Map.Entry entry = (Map.Entry) iterator.next(); System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue()); } Map<String, String> map1 = new LinkedHashMap<String, String>(16,0.75f,true); map1.put("ahdjkf", "1"); map1.put("ifjdj", "2"); map1.put("giafdja", "3"); map1.put("agad", "4"); map1.put("ahdjkge", "5"); map1.put("iegnj", "6"); map1.get("ahdjkf"); map1.get("ifjdj"); System.out.println("LinkedHashMap的迭代顺序(accessOrder=true):"); Iterator iterator1 = map1.entrySet().iterator(); while (iterator1.hasNext()) { Map.Entry entry = (Map.Entry) iterator1.next(); System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue()); } Map<String, String> map2 = new HashMap<>(); map2.put("ahdjkf", "1"); map2.put("ifjdj", "2"); map2.put("giafdja", "3"); map2.put("agad", "4"); map2.put("ahdjkge", "5"); map2.put("iegnj", "6"); System.out.println("HashMap的迭代顺序:"); Iterator iterator2 = map2.entrySet().iterator(); while (iterator2.hasNext()) { Map.Entry aMap = (Map.Entry) iterator2.next(); System.out.println(aMap.getKey() + "=" + aMap.getValue()); } } } Output: LinkedHashMap的迭代顺序(accessOrder=false): ahdjkf=1 ifjdj=2 giafdja=3 agad=4 ahdjkge=5 iegnj=6 LinkedHashMap的迭代顺序(accessOrder=true): giafdja=3 agad=4 ahdjkge=5 iegnj=6 ahdjkf=1 ifjdj=2 HashMap的迭代顺序: iegnj=6 giafdja=3 ifjdj=2 agad=4 ahdjkf=1 ahdjkge=5
可以看到 LinkedHashMap在每次插入数据,访问、修改数据时都会调整链表的节点顺序。以决定迭代时输出的顺序。
下面我们来看LinkedHashMap具体是怎么实现的:
LinkedHashMap继承了HashMap,内部静态类Entry继承了HashMap的Entry,但是LinkedHashMap.Entry多了两个字段:before和after,before表示在本节点之前添加到LinkedHashMap的那个节点,after表示在本节点之后添加到LinkedHashMap的那个节点,这里的之前和之后指时间上的先后顺序。
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); } }
同时类里有两个成员变量head和tail,分别指向内部双向链表的表头、表尾。
//双向链表的头结点 transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head; //双向链表的尾节点 transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
将LinkedHashMap的accessOrder字段设置为true后,每次访问哈希表中的节点都将该节点移到链表的末尾,表示该节点是最新访问的节点。即循环双向链表的头部存放的是最久访问的节点或最先插入的节点,尾部为最近访问的或最近插入的节点。
由于增加了一个accessOrder属性,LinkedHashMap相对HashMap来说增加了一个构造方法用来控制迭代顺序。
final boolean accessOrder; public LinkedHashMap() { super(); accessOrder = false; } //指定初始化时的容量, public LinkedHashMap(int initialCapacity) { super(initialCapacity); accessOrder = false; } //指定初始化时的容量,和扩容的加载因子 public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { super(initialCapacity, loadFactor); accessOrder = false; } //指定初始化时的容量,和扩容的加载因子,以及迭代输出节点的顺序 public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) { super(initialCapacity, loadFactor); this.accessOrder = accessOrder; } //利用另一个Map 来构建 public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { super(); accessOrder = false; //该方法上文分析过,批量插入一个map中的所有数据到 本集合中。 putMapEntries(m, false); }
添加元素
LinkedHashMap在添加元素的时候,依旧使用的是HashMap中的put方法。不同的是LinkedHashMap重写了newNode()方法在每次构建新节点时,通过linkNodeLast(p);将新节点链接在内部双向链表的尾部。
//将新增的节点,连接在链表的尾部 private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) { LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail; tail = p; //如果集合之前是空的 if (last == null) head = p; else {//将新节点连接在链表的尾部 p.before = last; last.after = p; } }
删除元素
LinkedHashMap并没有重写HashMap的remove()方法,但是他重写了afterNodeRemoval()方法,这个方法的作用是在删除一个节点时,同步将该节点从双向链表中删除。该方法将会在remove中被回调。
//在删除节点e时,同步将e从双向链表上删除 void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink LinkedHashMap.Entry<K,V> p = (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after; //将待删除节点 p 的前置后置节点都置空 p.before = p.after = null; //如果前置节点是null,则说明现在的头结点应该是后置节点a if (b == null) head = a; else//否则将前置节点b的后置节点指向a b.after = a; //同理如果后置节点时null ,则尾节点应是b if (a == null) tail = b; else//否则更新后置节点a的前置节点为b a.before = b; }
删除过程总的来说可以分为三步:
- 根据 hash 定位到桶位置
- 遍历链表或调用红黑树相关的删除方法
- 回调afterNodeRemoval,从 LinkedHashMap 维护的双链表中移除要删除的节点
更新元素
// 清除节点时要将头尾节点一起清除 public void clear() { super.clear(); head = tail = null; }
查找元素
LinkedHashMap重写了get()和getOrDefault()方法
默认情况下,LinkedHashMap是按插入顺序维护链表。不过如果我们在初始化 LinkedHashMap时,指定 accessOrder参数为 true,即可让它按访问顺序维护链表。访问顺序的原理是,当我们调用get/getOrDefault/replace等方法时,会将这些方法访问的节点移动到链表的尾部。
public V get(Object key) { Node<K,V> e; if ((e = getNode(hash(key), key)) == null) return null; if (accessOrder) // 回调afterNodeAccess(Node<K,V> e) afterNodeAccess(e); // 将节点e移至双向链表的尾部(保证迭代顺序) return e.value; } public V getOrDefault(Object key, V defaultValue) { Node<K,V> e; if ((e = getNode(hash(key), key)) == null) return defaultValue; if (accessOrder) afterNodeAccess(e); // 作用同上 return e.value; } void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last LinkedHashMap.Entry<K,V> last;//原尾节点 //如果accessOrder 是true ,且原尾节点不等于e if (accessOrder && (last = tail) != e) { //节点e强转成双向链表节点p LinkedHashMap.Entry<K,V> p = (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after; //p现在是尾节点, 后置节点一定是null p.after = null; //如果p的前置节点是null,则p以前是头结点,所以更新现在的头结点是p的后置节点a if (b == null) head = a; else//否则更新p的前直接点b的后置节点为 a b.after = a; //如果p的后置节点不是null,则更新后置节点a的前置节点为b if (a != null) a.before = b; else//如果原本p的后置节点是null,则p就是尾节点。 此时 更新last的引用为 p的前置节点b last = b; if (last == null) //原本尾节点是null 则,链表中就一个节点 head = p; else {//否则 更新 当前节点p的前置节点为 原尾节点last, last的后置节点是p p.before = last; last.after = p; } //尾节点的引用赋值成p tail = p; //修改modCount。 ++modCount; } } // 因为LinkedHashMap中维护了一个双向链表所以相对于HashMap中的双重循环遍历这个方法要优化很多 LinkedHashMap public boolean containsValue(Object value) { for (LinkedHashMap.Entry<K,V> e = head; e != null; e = e.after) { // 通过双向链表来遍历 V v = e.value; if (v == value || (value != null && value.equals(v))) return true; } return false; } HashMap public boolean containsValue(Object value) { Node<K,V>[] tab; V v; if ((tab = table) != null && size > 0) { for (int i = 0; i < tab.length; ++i) { for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) { if ((v = e.value) == value || (value != null && value.equals(v))) return true; } } } return false; }
其他方法
LinkedHashMap还有一个比较神奇的存在。
void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest LinkedHashMap.Entry<K,V> first; // 根据条件判断是否移除最近最少被访问的节点 if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) { K key = first.key; removeNode(hash(key), key, null, false, true); } } // 移除最近最少被访问条件之一,通过覆盖此方法可实现不同策略的缓存 protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) { return false; }
上面的方法一般不会被执行,但是当我们基于 LinkedHashMap 实现缓存时,通过覆写removeEldestEntry方法可以实现自定义策略的 LRU 缓存。比如我们可以根据节点数量判断是否移除最近最少被访问的节点,或者根据节点的存活时间判断是否移除该节点等。
迭代器
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() { Set<Map.Entry<K,V>> es; //返回LinkedEntrySet return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new LinkedEntrySet()) : es; } final class LinkedEntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> { public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() { return new LinkedEntryIterator(); } } final class LinkedEntryIterator extends LinkedHashIterator implements Iterator<Map.Entry<K,V>> { public final Map.Entry<K,V> next() { return nextNode(); } } abstract class LinkedHashIterator { //下一个节点 LinkedHashMap.Entry<K,V> next; //当前节点 LinkedHashMap.Entry<K,V> current; int expectedModCount; LinkedHashIterator() { //初始化时,next 为 LinkedHashMap内部维护的双向链表的扁头 next = head; //记录当前modCount,以满足fail-fast expectedModCount = modCount; //当前节点为null current = null; } //判断是否还有next public final boolean hasNext() { //就是判断next是否为null,默认next是head 表头 return next != null; } //nextNode() 就是迭代器里的next()方法 。 //该方法的实现可以看出,迭代LinkedHashMap,就是从内部维护的双链表的表头开始循环输出。 final LinkedHashMap.Entry<K,V> nextNode() { //记录要返回的e。 LinkedHashMap.Entry<K,V> e = next; //判断fail-fast if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); //如果要返回的节点是null,异常 if (e == null) throw new NoSuchElementException(); //更新当前节点为e current = e; //更新下一个节点是e的后置节点 next = e.after; //返回e return e; } //删除方法 最终还是调用了HashMap的removeNode方法 public final void remove() { Node<K,V> p = current; if (p == null) throw new IllegalStateException(); if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); current = null; K key = p.key; removeNode(hash(key), key, null, false, false); expectedModCount = modCount; } }
该方法的实现可以看出,迭代LinkedHashMap,就是从内部维护的双链表的表头开始循环输出。而双链表节点的顺序在LinkedHashMap的增、删、改、查时都会更新。以满足按照插入顺序输出,还是访问顺序输出。
总结
在日常开发中LinkedHashMap 的使用频率没有HashMap高,但它也个重要的实现。
在 Java 集合框架中,HashMap、LinkedHashMap 和 TreeMap 三个映射类基于不同的数据结构,并实现了不同的功能。
HashMap 底层基于拉链式的散列结构,并在 JDK 1.8 中引入红黑树优化过长链表的问题。基于这样结构,HashMap 可提供高效的增删改查操作。
LinkedHashMap 在其之上,通过维护一条双向链表,实现了散列数据结构的有序遍历。
TreeMap 底层基于红黑树实现,利用红黑树的性质,实现了键值对排序功能。具体实现我们下次分析。
以上就是Java LinkedHashMap 底层实现原理分析的详细内容,更多关于Java LinkedHashMap 底层实现原理的资料请关注我们其它相关文章!