吃透Java集合系列十一:LinkedHashMap

一:概要

HashMap是Java集合中的重要成员,也是Map族中我们最为常用的一种,但是HashMap是无序的,也就是说,迭代HashMap所得到的元素顺序并不是它们最初放置到HashMap的顺序。

HashMap的这一缺点往往会造成诸多不便,因为在有些场景中,我们确需要用到一个可以保持插入顺序的Map。庆幸的是,JDK为我们解决了这个问题,它为HashMap提供了一个子类 —— LinkedHashMap。虽然LinkedHashMap增加了时间和空间上的开销,但是它通过维护一个额外的双向链表保证了迭代顺序。

该迭代顺序可以是插入顺序,也可以是访问顺序。因此,根据链表中元素的顺序可以将LinkedHashMap分为:保持插入顺序的LinkedHashMap和保持访问顺序的LinkedHashMap,其中LinkedHashMap的默认实现是按插入顺序排序的。

其实LinkedHashMap就是 HashMap+双向链表 来实现的,就是将所有Node节点链入一个双向链表的HashMap。在LinkedHashMapMap中,所有put进来的Node都保存在哈希表中,但由于它又额外定义了一个以head为头结点的双向链表,因此对于每次put进来Node,除了将其保存到哈希表中对应的位置上之外,还会将其插入到双向链表的尾部。
LinkedHashMap结构示意图

二、源码分析

类信息
LinkedHashMap继承于HashMap,并在此基础上扩展了双向链表。

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

成员变量

与HashMap相比,LinkedHashMap增加了两个属性用于保证迭代顺序,分别是 双向链表头结点head尾结点tail 和 标志位accessOrder (值为true时,表示按照访问顺序迭代;值为false时,表示按照插入顺序迭代)。

	//头结点
    transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
	//尾结点
    transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
    //true表示按照访问顺序迭代,false时表示按照插入顺序
    final boolean accessOrder;

元素类
LinkedHashMap采用的hash算法和HashMap相同,但是它重新定义了Entry。LinkedHashMap中的Entry增加了两个指针 before 和 after,它们分别用于维护双向链接列表。特别需要注意的是,next用于维护HashMap各个桶中Entry的连接顺序,before、after用于维护Entry插入的先后顺序的,源代码如下:

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);
        }
    }

构造函数
LinkedHashMap 一共提供了五个构造函数,它们都是在HashMap的构造函数的基础上实现的,除了默认空参数构造方法,下面这个构造函数包含了大部分其他构造方法使用的参数。

public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor,
                         boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor);// 调用HashMap对应的构造函数
        this.accessOrder = accessOrder;//指定迭代顺序方式
    }

put方法
LinkedHashMap没有对 put(key,vlaue) 方法进行任何直接的修改,完全继承了HashMap的 put(Key,Value) 方法,HashMap中put源码如下:

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;
        //tab为空则创建
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //计算index,并对null做处理
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //节点key存在,直接覆盖value
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //判断该链为红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            //该链为链表
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //链表长度大于8转换为红黑树进行处理
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                     // key已经存在直接覆盖value
                    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;
        //超过最大容量 就扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

在LinkedHashMap中,它对newNode方法进行了重写。下面我们对比地看一下LinkedHashMap 和HashMap的newNode方法的具体实现:

//LinkedHashMap
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e);
        linkNodeLast(p);
        return p;
    }
private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
        tail = p;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
    }

//HashMap
```java
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        return new Node<>(hash, key, value, next);
    }

可见在LinkedHashMap中向哈希表中插入新Node的同时,还会通过linkNodeLast方法将其链入到双向链表中,相比HashMap而言,LinkedHashMap在向哈希表添加一个键值对的同时,也会将其链入到它所维护的双向链表中,以便设定迭代顺序。

get方法
相对于LinkedHashMap的存储而言,读取就显得比较简单了。LinkedHashMap中重写了HashMap中的get方法,源码如下:

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

在LinkedHashMap的get方法中,通过HashMap中的getNode方法获取Node对象。注意这里的afterNodeAccess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(当accessOrder为false时),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(当accessOrder为true时),则将e移到链表的末尾处。

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
        LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
        // 判断迭代策略,并且当前节点不是尾节点
        if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        	// 记录当前节点,并获取前后节点
            LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
                (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
            // 把当前节点的 after 节点置 null
            p.after = null;
            // 如果当前节点是头节点,把后一个节点置为头节点
            if (b == null)
                head = a;
            // 把当前节点的前后节点相连
            else
                b.after = a;
            if (a != null)
                a.before = b;
            else
                last = b;
            if (last == null)
                head = p;
            // 把当前节点置为尾节点并记录
            else {
                p.before = last;
                last.after = p;
            }
            tail = p;
            ++modCount;
        }
    }

扩容机制
由于LinkedHashMap并没有重写HashMap的扩容,所以其扩容是和HashMap保持一致的,具体可以参见吃透Java集合系列九:HashMap

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