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[Java教程]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

关  注  点结      论
LinkedHashMap是否允许空Key和Value都允许空
LinkedHashMap是否允许重复数据Key重复会覆盖、Value允许重复
LinkedHashMap是否有序有序
LinkedHashMap是否线程安全非线程安全

 

LinkedHashMap基本结构

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:

1、K key

2、V value

3、Entry<K, V> next

4、int hash

5、Entry<K, V> before

6、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:

1 public static void main(String[] args)2 {3   LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap =4       new LinkedHashMap<String, String>();5   linkedHashMap.put("111", "111");6   linkedHashMap.put("222", "222");7 }

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

 1 public LinkedHashMap() { 2 super(); 3   accessOrder = false; 4 }

1 public HashMap() {2   this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;3   threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);4   table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];5   init();6 }

 1 void init() { 2   header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null); 3   header.before = header.after = header; 4 }

/** * 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0x00000000,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:

 1 public V put(K key, V value) { 2   if (key == null) 3     return putForNullKey(value); 4   int hash = hash(key.hashCode()); 5   int i = indexFor(hash, table.length); 6   for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { 7     Object k; 8     if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { 9       V oldValue = e.value;10       e.value = value;11       e.recordAccess(this);12       return oldValue;13     }14   }15 16   modCount++;17   addEntry(hash, key, value, i);18   return null;19 }

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:

 1 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { 2   createEntry(hash, key, value, bucketIndex); 3  4   // Remove eldest entry if instructed, else grow capacity if appropriate 5   Entry<K,V> eldest = header.after; 6   if (removeEldestEntry(eldest)) { 7     removeEntryForKey(eldest.key); 8   } else { 9     if (size >= threshold)10       resize(2 * table.length);11   }12 }

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:

1 void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {2   HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];3   Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old);4   table[bucketIndex] = e;5   e.addBefore(header);6   size++;7 }

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0x00000001,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=0x00000000

2、before=existingEntry.before,即新增的Entry的before是header的before的地址,header的before此时是0x00000000,因此新增的Entry的before=0x00000000

3、before.after=this,新增的Entry的before此时为0x00000000即header,header的after=this,即header的after=0x00000001

4、after.before=this,新增的Entry的after此时为0x00000000即header,header的before=this,即header的before=0x00000000

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0x00000002,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,双向队列最尾的那个数据不就是最不常访问的那个数据了吗?换句话说,双向链表最尾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:

 1 public V put(K key, V value) { 2   if (key == null) 3     return putForNullKey(value); 4   int hash = hash(key.hashCode()); 5   int i = indexFor(hash, table.length); 6   for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { 7     Object k; 8     if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { 9       V oldValue = e.value;10       e.value = value;11       e.recordAccess(this);12       return oldValue;13     }14   }15 16   modCount++;17   addEntry(hash, key, value, i);18   return null;19 }

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