Java容器之LinkedHashMap源码分析

一、简介

LinkedHashMap内部维护了一个双向链表，能保证元素按插入的顺序访问，也能以访问顺序访问，可以用来实现LRU缓存策略。

LinkedHashMap可以看成是LinkedList + HashMap。

二、继承体系

LinkedHashMap继承HashMap，拥有HashMap的所有特性，并且额外增加了按一定顺序访问的特性。

三、存储结构

我们知道HashMap使用（数组 + 单链表/红黑树）的存储结构，那LinkedHashMap是怎么存储的呢？

通过上面的继承体系，我们知道它继承了HashMap，所以它的内部也有这三种结构，但是它还额外添加了一种“双向链表”的结构存储所有元素的顺序。

添加删除元素的时候需要同时维护在HashMap中的存储，也要维护在LinkedList中的存储，所以性能上来说会比HashMap稍慢。

四、源码分析

4.1 属性

/**
* 双向链表头节点 
*/
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

/**
* 双向链表尾节点 
*/
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;

/**
* 是否按访问顺序排序 
*/
final boolean accessOrder;

1. head：双向链表的头节点，旧数据存在头节点。
2. tail：双向链表的尾节点，新数据存在尾节点。
3. accessOrder：是否需要按访问顺序排序，如果为false则按插入顺序存储元素，如果是true则按访问顺序存储元素。

4.2 内部类

// 位于LinkedHashMap中
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);
    }
}

// 位于HashMap中
static class Node<K, V> implements Map.Entry<K, V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K, V> next;
}

存储节点，继承自HashMap的Node类，next用于单链表存储于桶中，before和after用于双向链表存储所有元素。

4.3 构造方法

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

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

public LinkedHashMap() {
    super();
    accessOrder = false;
}

public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    super();
    accessOrder = false;
    putMapEntries(m, false);
}

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

前四个构造方法accessOrder都等于false，说明双向链表是按插入顺序存储元素。

最后一个构造方法accessOrder从构造方法参数传入，如果传入true，则就实现了按访问顺序存储元素，这也是实现LRU缓存策略的关键。

4.4 afterNodeInsertion(boolean evict)方法

在节点插入之后做些什么，在HashMap中的putVal()方法中被调用，可以看到HashMap中这个方法的实现为空。

void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
        K key = first.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    }
}

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return false;
}

evict，驱逐的意思。

1. 如果evict为true，且头节点不为空，且确定移除最老的元素，那么就调用HashMap.removeNode()把头节点移除（这里的头节点是双向链表的头节点，而不是某个桶中的第一个元素）；
2. HashMap.removeNode()从HashMap中把这个节点移除之后，会调用afterNodeRemoval()方法；
3. afterNodeRemoval()方法在LinkedHashMap中也有实现，用来在移除元素后修改双向链表，见下文；
4. 默认removeEldestEntry()方法返回false，也就是不删除元素。

4.5 afterNodeAccess(Node<K,V> e)方法

在节点访问之后被调用，主要在put()已经存在的元素或get()时被调用，如果accessOrder为true，调用这个方法把访问到的节点移动到双向链表的末尾。

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    // 如果accessOrder为true，并且访问的节点不是尾节点
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
                (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        // 把p节点从双向链表中移除
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        
        // 把p节点放到双向链表的末尾
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        // 尾节点等于p
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

1. 如果accessOrder为true，并且访问的节点不是尾节点；
2. 从双向链表中移除访问的节点；
3. 把访问的节点加到双向链表的末尾；（末尾为最新访问的元素）

4.6 afterNodeRemoval(Node<K,V> e)方法

在节点被删除之后调用的方法。

void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
    // 把节点p从双向链表中删除。
    p.before = p.after = null;
    if (b == null)
        head = a;
    else
        b.after = a;
    if (a == null)
        tail = b;
    else
        a.before = b;
}

经典的把节点从双向链表中删除的方法。

4.7 get(Object key)方法

获取元素。

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;
}

如果查找到了元素，且accessOrder为true，则调用afterNodeAccess()方法把访问的节点移到双向链表的末尾。

五、总结

1. LinkedHashMap继承自HashMap，具有HashMap的所有特性；
2. LinkedHashMap内部维护了一个双向链表存储所有的元素；
3. 如果accessOrder为false，则可以按插入元素的顺序遍历元素；
4. 如果accessOrder为true，则可以按访问元素的顺序遍历元素；
5. LinkedHashMap的实现非常精妙，很多方法都是在HashMap中留的钩子（Hook），直接实现这些Hook就可以实现对应的功能了，并不需要再重写put()等方法；
6. 默认的LinkedHashMap并不会移除旧元素，如果需要移除旧元素，则需要重写removeEldestEntry()方法设定移除策略；
7. LinkedHashMap可以用来实现LRU缓存淘汰策略；

六、拓展

6.1 LinkedHashMap如何实现LRU缓存淘汰策略呢？

LRU（Least Recently Used）：最近最少使用，也就是优先淘汰最近最少使用的元素。

如果使用LinkedHashMap，我们把accessOrder设置为true是不是就差不多能实现这个策略了呢？答案是肯定的。请看下面的代码：

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;

public class LRUTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个只有5个元素的缓存
        LRU<Integer, Integer> lru = new LRU<>(5, 0.75f);
        lru.put(1, 1);
        lru.put(2, 2);
        lru.put(3, 3);
        lru.put(4, 4);
        lru.put(5, 5);
        lru.put(6, 6);
        lru.put(7, 7);
    
        System.out.println(lru.get(4));
    
        lru.put(6, 666);
    
        // 输出: {3=3, 5=5, 7=7, 4=4, 6=666}
        // 可以看到最旧的元素被删除了
        // 且最近访问的4被移到了后面
        System.out.println(lru);
    }
}

class LRU<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {

    // 保存缓存的容量
    private int capacity;
    
    public LRU(int capacity, float loadFactor) {
        super(capacity, loadFactor, true);
        this.capacity = capacity;
    }
    
    /**
    * 重写removeEldestEntry()方法设置何时移除旧元素
    * @param eldest
    * @return 
    */
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
        // 当元素个数大于了缓存的容量, 就移除元素
        return size() > this.capacity;
    }
}