图解集合 6 : LinkedHashMap

初识LinkedHashMap

上两篇文章讲了HashMap和HashMap在多线程下引发的问题,说明了,HashMap是一种非常常见、非常有用的集合,并且在多线程情况下使用不当会有线程安全问题。

大多数情况下,只要不涉及线程安全问题,Map基本都可以使用HashMap,不过HashMap有一个问题,就是迭代HashMap的顺序并不是HashMap放置的顺序,也就是无序。HashMap的这一缺点往往会带来困扰,因为有些场景,我们期待一个有序的Map。

这个时候,LinkedHashMap就闪亮登场了,它虽然增加了时间和空间上的开销,但是通过维护一个运行于所有条目的双向链表,LinkedHashMap保证了元素迭代的顺序。

四个关注点在LinkedHashMap上的答案

LinkedHashMap基本数据结构

关于LinkedHashMap,先提两点:

1、LinkedHashMap可以认为是HashMap+LinkedList,即它既使用HashMap操作数据结构,又使用LinkedList维护插入元素的先后顺序

2、LinkedHashMap的基本实现思想就是—-多态。可以说,理解多态,再去理解LinkedHashMap原理会事半功倍;反之也是,对于LinkedHashMap原理的学习,也可以促进和加深对于多态的理解。

为什么可以这么说,首先看一下,LinkedHashMap的定义:

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

看到,LinkedHashMap是HashMap的子类,自然LinkedHashMap也就继承了HashMap中所有非private的方法。再看一下LinkedHashMap中本身的方法:

看到LinkedHashMap中并没有什么操作数据结构的方法,也就是说LinkedHashMap操作数据结构(比如put一个数据),和HashMap操作数据的方法完全一样,无非就是细节上有一些的不同罢了。

LinkedHashMap和HashMap的区别在于它们的基本数据结构上,看一下LinkedHashMap的基本数据结构,也就是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);
    }
    ...
}

列一下Entry里面有的一些属性吧:

  • K key
  • V value
  • Entry<K, V> next
  • int hash
  • Entry<K, V> before
  • Entry<K, V> after

其中前面四个,也就是红色部分是从HashMap.Entry中继承过来的;后面两个,也就是蓝色部分是LinkedHashMap独有的。不要搞错了next和before、After,next是用于维护HashMap指定table位置上连接的Entry的顺序的,before、After是用于维护Entry插入的先后顺序的。

还是用图表示一下,列一下属性而已:

初始化LinkedHashMap

假如有这么一段代码:

public static void main(String[] args)
{
    LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap =
            new LinkedHashMap<String, String>();
    linkedHashMap.put("111", "111");
    linkedHashMap.put("222", "222");
}

首先是第3行~第4行,new一个LinkedHashMap出来,看一下做了什么:

public LinkedHashMap() {
      super();
      accessOrder = false;
 }
public HashMap() {
     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
     threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
     table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
     init();
}
void init() {
      header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);
      header.before = header.after = header;
 }
/**
 * The head of the doubly linked list.
 */
private transient Entry<K,V> header;

这里出现了第一个多态:init()方法。尽管init()方法定义在HashMap中,但是由于:

1、LinkedHashMap重写了init方法

2、实例化出来的是LinkedHashMap

因此实际调用的init方法是LinkedHashMap重写的init方法。假设header的地址是0×00000000,那么初始化完毕,实际上是这样的:

LinkedHashMap添加元素

继续看LinkedHashMap添加元素,也就是put(“111″,”111″)做了什么,首先当然是调用HashMap的put方法:

public V put(K key, V value) {
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    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;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

第17行又是一个多态,因为LinkedHashMap重写了addEntry方法,因此addEntry调用的是LinkedHashMap重写了的方法:

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

    // Remove eldest entry if instructed, else grow capacity if appropriate
    Entry<K,V> eldest = header.after;
    if (removeEldestEntry(eldest)) {
        removeEntryForKey(eldest.key);
    } else {
        if (size >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }
}

因为LinkedHashMap由于其本身维护了插入的先后顺序,因此LinkedHashMap可以用来做缓存,第5行~第7行是用来支持FIFO算法的,这里暂时不用去关心它。看一下createEntry方法:

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

第2行~第4行的代码和HashMap没有什么不同,新添加的元素放在table[i]上,差别在于LinkedHashMap还做了addBefore操作,这四行代码的意思就是让新的Entry和原链表生成一个双向链表。假设字符串111放在位置table[1]上,生成的Entry地址为0×00000001,那么用图表示是这样的:

如果熟悉LinkedList的源码应该不难理解,还是解释一下,注意下existingEntry表示的是header:

1、after=existingEntry,即新增的Entry的after=header地址,即after=0×00000000

2、before=existingEntry.before,即新增的Entry的before是header的before的地址,header的before此时是0×00000000,因此新增的Entry的before=0×00000000

3、before.after=this,新增的Entry的before此时为0×00000000即header,header的after=this,即header的after=0×00000001

4、after.before=this,新增的Entry的after此时为0×00000000即header,header的before=this,即header的before=0×00000001

这样,header与新增的Entry的一个双向链表就形成了。再看,新增了字符串222之后是什么样的,假设新增的Entry的地址为0×00000002,生成到table[2]上,用图表示是这样的:

就不细解释了,只要before、after清除地知道代表的是哪个Entry的就不会有什么问题。

总得来看,再说明一遍,LinkedHashMap的实现就是HashMap+LinkedList的实现方式,以HashMap维护数据结构,以LinkList的方式维护数据插入顺序。

利用LinkedHashMap实现LRU算法缓存

前面讲了LinkedHashMap添加元素,删除、修改元素就不说了,比较简单,和HashMap+LinkedList的删除、修改元素大同小异,下面讲一个新的内容。

LinkedHashMap可以用来作缓存,比方说LRUCache,看一下这个类的代码,很简单,就十几行而已:

public class LRUCache extends LinkedHashMap
{
    public LRUCache(int maxSize)
    {
        super(maxSize, 0.75F, true);
        maxElements = maxSize;
    }

    protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry eldest)
    {
        return size() > maxElements;
    }

    private static final long serialVersionUID = 1L;
    protected int maxElements;
}

顾名思义,LRUCache就是基于LRU算法的Cache(缓存),这个类继承自LinkedHashMap,而类中看到没有什么特别的方法,这说明LRUCache实现缓存LRU功能都是源自LinkedHashMap的。LinkedHashMap可以实现LRU算法的缓存基于两点:

1、LinkedList首先它是一个Map,Map是基于K-V的,和缓存一致

2、LinkedList提供了一个boolean值可以让用户指定是否实现LRU

那么,首先我们了解一下什么是LRU:LRU即Least Recently Used,最近最少使用,也就是说,当缓存满了,会优先淘汰那些最近最不常访问的数据。比方说数据a,1天前访问了;数据b,2天前访问了,缓存满了,优先会淘汰数据b。

我们看一下LinkedList带boolean型参数的构造方法:

public LinkedHashMap(int initialCapacity,
         float loadFactor,
                     boolean accessOrder) {
    super(initialCapacity, loadFactor);
    this.accessOrder = accessOrder;
}

就是这个accessOrder,它表示:

(1)false,所有的Entry按照插入的顺序排列

(2)true,所有的Entry按照访问的顺序排列

第二点的意思就是,如果有1 2 3这3个Entry,那么访问了1,就把1移到尾部去,即2 3 1。每次访问都把访问的那个数据移到双向队列的尾部去,那么每次要淘汰数据的时候,双向队列最头的那个数据不就是最不常访问的那个数据了吗?换句话说,双向链表最头的那个数据就是要淘汰的数据。

“访问”,这个词有两层意思:

1、根据Key拿到Value,也就是get方法

2、修改Key对应的Value,也就是put方法

首先看一下get方法,它在LinkedHashMap中被重写:

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;
}

然后是put方法,沿用父类HashMap的:

public V put(K key, V value) {
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    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;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

修改数据也就是第6行~第14行的代码。看到两端代码都有一个共同点:都调用了recordAccess方法,且这个方法是Entry中的方法,也就是说每次的recordAccess操作的都是某一个固定的Entry。

recordAccess,顾名思义,记录访问,也就是说你这次访问了双向链表,我就把你记录下来,怎么记录?把你访问的Entry移到尾部去。这个方法在HashMap中是一个空方法,就是用来给子类记录访问用的,看一下LinkedHashMap中的实现:

void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
    LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
    if (lm.accessOrder) {
        lm.modCount++;
        remove();
        addBefore(lm.header);
    }
}
private void remove() {
    before.after = after;
    after.before = before;
}
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
    after  = existingEntry;
    before = existingEntry.before;
    before.after = this;
    after.before = this;
}

看到每次recordAccess的时候做了两件事情:

1、把待移动的Entry的前后Entry相连

2、把待移动的Entry移动到尾部

当然,这一切都是基于accessOrder=true的情况下。最后用一张图表示一下整个recordAccess的过程吧:

代码演示LinkedHashMap按照访问顺序排序的效果

最后代码演示一下LinkedList按照访问顺序排序的效果,验证一下上一部分LinkedHashMap的LRU功能:

public static void main(String[] args)
{
    LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap =
            new LinkedHashMap<String, String>(16, 0.75f, true);
    linkedHashMap.put("111", "111");
    linkedHashMap.put("222", "222");
    linkedHashMap.put("333", "333");
    linkedHashMap.put("444", "444");
    loopLinkedHashMap(linkedHashMap);
    linkedHashMap.get("111");
    loopLinkedHashMap(linkedHashMap);
    linkedHashMap.put("222", "2222");
    loopLinkedHashMap(linkedHashMap);
}
    
public static void loopLinkedHashMap(LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap)
{
    Set<Map.Entry<String, String>> set = inkedHashMap.entrySet();
    Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = set.iterator();
    
    while (iterator.hasNext())
    {
        System.out.print(iterator.next() + "\t");
    }
    System.out.println();
}

注意这里的构造方法要用三个参数那个且最后的要传入true,这样才表示按照访问顺序排序。看一下代码运行结果:

111=111    222=222    333=333    444=444    
222=222    333=333    444=444    111=111    
333=333    444=444    111=111    222=2222

代码运行结果证明了两点:

1、LinkedList是有序的;

2、每次访问一个元素(get或put),被访问的元素都被提到最后面去了。



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