深入解析 LinkedHashMap 用法及实现原理

panzhi约 1990 字大约 7 分钟

一、摘要

在集合系列的第一章，咱们了解到，Map的实现类有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、IdentityHashMap、WeakHashMap、Hashtable、Properties等等。

本文主要从数据结构和算法层面，探讨LinkedHashMap的实现。

二、简介

LinkedHashMap可以认为是HashMap+LinkedList，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，内部采用双向链表（doubly-linked list）的形式将所有元素（ entry ）连接起来。

LinkedHashMap继承了HashMap，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LinkedList和HashMap的混合体，也就是说它同时满足HashMap和LinkedList的某些特性，可将LinkedHashMap看作采用Linked list增强的HashMap。

打开 LinkedHashMap 源码，可以看到主要三个核心属性：

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

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

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

    /**
     * 1、如果accessOrder为true的话，则会把访问过的元素放在链表后面，放置顺序是访问的顺序
     * 2、如果accessOrder为false的话，则按插入顺序来遍历
     */
    final boolean accessOrder;
}

LinkedHashMap 在初始化阶段，默认按插入顺序来遍历

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

LinkedHashMap 采用的 Hash 算法和 HashMap 相同，不同的是，它重新定义了数组中保存的元素Entry，该Entry除了保存当前对象的引用外，还保存了其上一个元素before和下一个元素after的引用，从而在哈希表的基础上又构成了双向链接列表。

源码如下：

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    //before指的是链表前驱节点，after指的是链表后驱节点
    Entry<K,V> before, after;
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

可以直观的看出，双向链表头部插入的数据为链表的入口，迭代器遍历方向是从链表的头部开始到链表尾部结束。

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。

三、常用方法介绍

3.1、get方法

get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，默认按照插入顺序遍历。

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accessOrder为true的话，会把访问过的元素放在链表后面，放置顺序是访问的顺序

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

测试用例：

public static void main(String[] args) {
    //accessOrder默认为false
    Map<String, String> accessOrderFalse = new LinkedHashMap<>();
    accessOrderFalse.put("1","1");
    accessOrderFalse.put("2","2");
    accessOrderFalse.put("3","3");
    accessOrderFalse.put("4","4");
    System.out.println("acessOrderFalse："+accessOrderFalse.toString());
    
    //accessOrder设置为true
    Map<String, String> accessOrderTrue = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true);
    accessOrderTrue.put("1","1");
    accessOrderTrue.put("2","2");
    accessOrderTrue.put("3","3");
    accessOrderTrue.put("4","4");
    accessOrderTrue.get("2");//获取键2
    accessOrderTrue.get("3");//获取键3
    System.out.println("accessOrderTrue："+accessOrderTrue.toString());
}

输出结果：

acessOrderFalse：{1=1, 2=2, 3=3, 4=4}
accessOrderTrue：{1=1, 4=4, 2=2, 3=3}

3.2、put方法

put(K key, V value)方法是将指定的key, value对添加到map里。该方法首先会调用HashMap的插入方法，同样对map做一次查找，看是否包含该元素，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，将元素插入集合。

/**HashMap 中实现*/
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;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                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;
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

LinkedHashMap 中覆写的方法

// LinkedHashMap 中覆写
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);
    // 将 Entry 接在双向链表的尾部
    linkNodeLast(p);
    return p;
}

private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
    tail = p;
    // last 为 null，表明链表还未建立
    if (last == null)
        head = p;
    else {
        // 将新节点 p 接在链表尾部
        p.before = last;
        last.after = p;
    }
}

3.3、remove方法

remove(Object key)的作用是删除key值对应的entry，该方法实现逻辑主要以HashMap为主，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，最后会调用 LinkedHashMap 中覆写的方法，将其删除！

/**HashMap 中实现*/
public V remove(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
        null : e.value;
}

final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;
        else if ((e = p.next) != null) {
            if (p instanceof TreeNode) {...}
            else {
                // 遍历单链表，寻找要删除的节点，并赋值给 node 变量
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) {
            if (node instanceof TreeNode) {...}
            // 将要删除的节点从单链表中移除
            else if (node == p)
                tab[index] = node.next;
            else
                p.next = node.next;
            ++modCount;
            --size;
            afterNodeRemoval(node);    // 调用删除回调方法进行后续操作
            return node;
        }
    }
    return null;
}

LinkedHashMap 中覆写的 afterNodeRemoval 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;
    // 将 p 节点的前驱后后继引用置空
    p.before = p.after = null;
    // b 为 null，表明 p 是头节点
    if (b == null)
        head = a;
    else
        b.after = a;
    // a 为 null，表明 p 是尾节点
    if (a == null)
        tail = b;
    else
        a.before = b;
}

四、总结

LinkedHashMap 继承自 HashMap，所有大部分功能特性基本相同，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。

主体部分跟HashMap完全一样，多了header指向双向链表的头部，tail指向双向链表的尾部，默认双向链表的迭代顺序就是entry的插入顺序。

五、参考

1、JDK1.7&JDK1.8 源码

2、https://www.cnblogs.com/CarpenterLee/p/5541111.html

作者：潘志的技术笔记

出处：https://pzblog.cn/

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