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Map - LinkedHashSet&Map源码解析

本文主要对Map - LinkedHashSet&Map 源码解析。@javaxue

Java 7 - LinkedHashSet&Map

总体介绍

如果你已看过前面关于 HashSet 和 HashMap ，以及 TreeSet 和 TreeMap 的讲解，一定能够想到本文将要讲解的 LinkedHashSet 和 LinkedHashMap 其实也是一回事。 LinkedHashSet 和 LinkedHashMap 在Java里也有着相同的实现，前者仅仅是对后者做了一层包装，也就是说 LinkedHashSet里面有一个LinkedHashMap(适配器模式) 。因此本文将重点分析 LinkedHashMap 。

LinkedHashMap 实现了 Map 接口，即允许放入 key 为 null 的元素，也允许插入 value 为 null 的元素。从名字上可以看出该容器是 linked list 和 HashMap 的混合体，也就是说它同时满足 HashMap 和 linked list 的某些特性。 可将 LinkedHashMap 看作采用 linked list 增强的 HashMap 。

LinkedHashMap_base.png

事实上 LinkedHashMap 是 HashMap 的直接子类， 二者唯一的区别是 LinkedHashMap 在 HashMap 的基础上，采用双向链表(doubly-linked list)的形式将所有 entry 连接起来，这样是为保证元素的迭代顺序跟插入顺序相同 。上图给出了 LinkedHashMap 的结构图，主体部分跟 HashMap 完全一样，多了 header 指向双向链表的头部(是一个哑元)， 该双向链表的迭代顺序就是 entry 的插入顺序 。

除了可以保迭代历顺序，这种结构还有一个好处 : 迭代 LinkedHashMap 时不需要像 HashMap 那样遍历整个 table ，而只需要直接遍历 header 指向的双向链表即可 ，也就是说 LinkedHashMap 的迭代时间就只跟 entry 的个数相关，而跟 table 的大小无关。

有两个参数可以影响 LinkedHashMap 的性能: 初始容量(inital capacity)和负载系数(load factor)。初始容量指定了初始 table 的大小，负载系数用来指定自动扩容的临界值。当 entry 的数量超过 capacity*load_factor 时，容器将自动扩容并重新哈希。对于插入元素较多的场景，将初始容量设大可以减少重新哈希的次数。

将对象放入到 LinkedHashMap 或 LinkedHashSet 中时，有两个方法需要特别关心: hashCode() 和 equals() 。 hashCode() 方法决定了对象会被放到哪个 bucket 里，当多个对象的哈希值冲突时， equals() 方法决定了这些对象是否是“同一个对象” 。所以，如果要将自定义的对象放入到 LinkedHashMap 或 LinkedHashSet 中，需要@Override hashCode() 和 equals() 方法。

通过如下方式可以得到一个跟源 Map 迭代顺序 一样的 LinkedHashMap : 

void foo(Map m) {
    Map copy = new LinkedHashMap(m);
    ...
}

出于性能原因， LinkedHashMap 是非同步的(not synchronized)，如果需要在多线程环境使用，需要程序员手动同步；或者通过如下方式将 LinkedHashMap 包装成(wrapped)同步的:

Map m = Collections.synchronizedMap(new LinkedHashMap(...));

方法剖析

get()

get(Object key) 方法根据指定的 key 值返回对应的 value 。该方法跟 HashMap.get() 方法的流程几乎完全一样，读者可自行 参考前文 在新窗口打开 ，这里不再赘述。

put()

put(K key, V value) 方法是将指定的 key, value 对添加到 map 里。该方法首先会对 map 做一次查找，看是否包含该元组，如果已经包含则直接返回，查找过程类似于 get() 方法；如果没有找到，则会通过 addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 方法插入新的 entry 。

注意，这里的 插入有两重含义 :

  1. 从 table 的角度看，新的 entry 需要插入到对应的 bucket 里，当有哈希冲突时，采用头插法将新的 entry 插入到冲突链表的头部。
  2. 从 header 的角度看，新的 entry 需要插入到双向链表的尾部。

LinkedHashMap_addEntry.png

addEntry() 代码如下: 

// LinkedHashMap.addEntry()
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);// 自动扩容，并重新哈希
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = hash & (table.length-1);// hash%table.length
    }
    // 1.在冲突链表头部插入新的entry
    HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
    Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);
    table[bucketIndex] = e;
    // 2.在双向链表的尾部插入新的entry
    e.addBefore(header);
    size++;
}

上述代码中用到了 addBefore() 方法将新 entry e 插入到双向链表头引用 header 的前面，这样 e 就成为双向链表中的最后一个元素。 addBefore() 的代码如下: 

// LinkedHashMap.Entry.addBefor()，将this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;
}

上述代码只是简单修改相关 entry 的引用而已。

remove()

remove(Object key) 的作用是删除 key 值对应的 entry ，该方法的具体逻辑是在 removeEntryForKey(Object key) 里实现的。 removeEntryForKey() 方法会首先找到 key 值对应的 entry ，然后删除该 entry (修改链表的相应引用)。查找过程跟 get() 方法类似。

注意，这里的 删除也有两重含义 :

  1. 从 table 的角度看，需要将该 entry 从对应的 bucket 里删除，如果对应的冲突链表不空，需要修改冲突链表的相应引用。
  2. 从 header 的角度来看，需要将该 entry 从双向链表中删除，同时修改链表中前面以及后面元素的相应引用。

LinkedHashMap_removeEntryForKey.png

removeEntryForKey() 对应的代码如下: 

// LinkedHashMap.removeEntryForKey()，删除key值对应的entry
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
......
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);// hash&(table.length-1)
    Entry<K,V> prev = table[i];// 得到冲突链表
    Entry<K,V> e = prev;
    while (e != null) {// 遍历冲突链表
        Entry<K,V> next = e.next;
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {// 找到要删除的entry
            modCount++; size--;
            // 1. 将e从对应bucket的冲突链表中删除
            if (prev == e) table[i] = next;
            else prev.next = next;
            // 2. 将e从双向链表中删除
            e.before.after = e.after;
            e.after.before = e.before;
            return e;
        }
        prev = e; e = next;
    }
    return e;
}

LinkedHashSet

前面已经说过 LinkedHashSet 是对 LinkedHashMap 的简单包装，对 LinkedHashSet 的函数调用都会转换成合适的 LinkedHashMap 方法，因此 LinkedHashSet 的实现非常简单，这里不再赘述。 

public class LinkedHashSet<E>
    extends HashSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
    ......
    // LinkedHashSet里面有一个LinkedHashMap
    public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }
......
    public boolean add(E e) {//简单的方法转换
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
    ......
}

LinkedHashMap经典用法

LinkedHashMap 除了可以保证迭代顺序外，还有一个非常有用的用法: 可以轻松实现一个采用了FIFO替换策略的缓存。具体说来，LinkedHashMap有一个子类方法 protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) ，该方法的作用是告诉Map是否要删除“最老”的Entry，所谓最老就是当前Map中最早插入的Entry，如果该方法返回 true ，最老的那个元素就会被删除。在每次插入新元素的之后LinkedHashMap会自动询问removeEldestEntry()是否要删除最老的元素。这样只需要在子类中重载该方法，当元素个数超过一定数量时让removeEldestEntry()返回true，就能够实现一个固定大小的FIFO策略的缓存。示例代码如下: 

/** 一个固定大小的FIFO替换策略的缓存 */
class FIFOCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V>{
    private final int cacheSize;
    public FIFOCache(int cacheSize){
        this.cacheSize = cacheSize;
    }

    // 当Entry个数超过cacheSize时，删除最老的Entry
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
       return size() > cacheSize;
    }
}
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