深入Java集合學習系列(四)
LinkedHashMap的實現原理
1. LinkedHashMap概述
LinkedHashMap是Map介面的雜湊表和連結列表實現，具有可預知的迭代順序。此實現提供所有可選的對映操作，並允許使用null值和null鍵。此類不保證對映的順序，特別是它不保證該順序恆久不變。
LinkedHashMap實現與HashMap的不同之處在於，後者維護著一個運行於所有條目的雙重連結列表。此連結列表定義了迭代順序，該迭代順序可以是插入順序或者是訪問順序。
注意，此實現不是同步的。如果多個執行緒同時訪問連結的雜湊對映，而其中至少一個執行緒從結構上修改了該對映，則它必須保持外部同步。
2. LinkedHashMap的實現
對於LinkedHashMap而言，它繼承與HashMap、底層使用雜湊表與雙向連結串列來儲存所有元素。其基本操作與父類HashMap相似，它通過重寫父類相關的方法，來實現自己的連結列表特性。下面我們來分析LinkedHashMap的原始碼：
1) Entry元素：
LinkedHashMap採用的hash演算法和HashMap相同，但是它重新定義了陣列中儲存的元素Entry，該Entry除了儲存當前物件的引用外，還儲存了其上一個元素before和下一個元素after的引用，從而在雜湊表的基礎上又構成了雙向連結列表。看原始碼：
- /**
- * 雙向連結串列的表頭元素。
- */
- private transient Entry<K,V> header;
- /**
- * LinkedHashMap的Entry元素。
- * 繼承HashMap的Entry元素，又儲存了其上一個元素before和下一個元素after的引用。
- */
- privatestatic class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
- Entry<K,V> before, after;
- ……
- }
2) 初始化：
通過原始碼可以看出，在LinkedHashMap的構造方法中，實際呼叫了父類HashMap的相關構造方法來構造一個底層存放的table陣列。如：
Java程式碼
- public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
- super(initialCapacity, loadFactor);
- accessOrder = false;
- }
HashMap中的相關構造方法：
Java程式碼
- public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
- if (initialCapacity < 0)
- throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
- initialCapacity);
- if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
- initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
- if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
- throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
- loadFactor);
- // Find a power of 2 >= initialCapacity
- int capacity = 1;
- while (capacity < initialCapacity)
- capacity <<= 1;
- this.loadFactor = loadFactor;
- threshold = (int)(capacity * loadFactor);
- table = new Entry[capacity];
- init();
- }
我們已經知道LinkedHashMap的Entry元素繼承HashMap的Entry，提供了雙向連結串列的功能。在上述HashMap的構造器
中，最後會呼叫init()方法，進行相關的初始化，這個方法在HashMap的實現中並無意義，只是提供給子類實現相關的初始化呼叫。
LinkedHashMap重寫了init()方法，在呼叫父類的構造方法完成構造後，進一步實現了對其元素Entry的初始化操作。
Java程式碼
- void init() {
- header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);
- header.before = header.after = header;
- }
3) 儲存：
LinkedHashMap並未重寫父類HashMap的put方法，而是重寫了父類HashMap的put方法呼叫的子方法void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 和void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)，提供了自己特有的雙向連結列表的實現。
Java程式碼
- void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
- // 呼叫create方法，將新元素以雙向連結串列的的形式加入到對映中。
- createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
- // 刪除最近最少使用元素的策略定義
- Entry<K,V> eldest = header.after;
- if (removeEldestEntry(eldest)) {
- removeEntryForKey(eldest.key);
- } else {
- if (size >= threshold)
- resize(2 * table.length);
- }
- }
Java程式碼
- 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;
- // 呼叫元素的addBrefore方法，將元素加入到雜湊、雙向連結列表。
- e.addBefore(header);
- size++;
- }
Java程式碼
- private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
- after = existingEntry;
- before = existingEntry.before;
- before.after = this;
- after.before = this;
- }
4) 讀取：
LinkedHashMap重寫了父類HashMap的get方法，實際在呼叫父類getEntry()方法取得查詢的元素後，再判斷當排序模式accessOrder為true時，記錄訪問順序，將最新訪問的元素新增到雙向連結串列的表頭，並從原來的位置刪除。由於的連結串列的增加、刪除操作是常量級的，故並不會帶來效能的損失。
Java程式碼
- public V get(Object key) {
- // 呼叫父類HashMap的getEntry()方法，取得要查詢的元素。
- Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
- if (e == null)
- return null;
- // 記錄訪問順序。
- e.recordAccess(this);
- return e.value;
- }
Java程式碼
- void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
- LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
- // 如果定義了LinkedHashMap的迭代順序為訪問順序，
- // 則刪除以前位置上的元素，並將最新訪問的元素新增到連結串列表頭。
- if (lm.accessOrder) {
- lm.modCount++;
- remove();
- addBefore(lm.header);
- }
- }
5) 排序模式：
LinkedHashMap定義了排序模式accessOrder，該屬性為boolean型變數，對於訪問順序，為true；對於插入順序，則為false。
Java程式碼
- private final boolean accessOrder;
一般情況下，不必指定排序模式，其迭代順序即為預設為插入順序。看LinkedHashMap的構造方法，如：
Java程式碼
- public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
- super(initialCapacity, loadFactor);
- accessOrder = false;
- }
這些構造方法都會預設指定排序模式為插入順序。如果你想構造一個LinkedHashMap，並打算按從近期訪問最少到近期訪問最多的順序（即訪問順序）來儲存元素，那麼請使用下面的構造方法構造LinkedHashMap：
Java程式碼
- public LinkedHashMap(int initialCapacity,
- float loadFactor,
- boolean accessOrder) {
- super(initialCapacity, loadFactor);
- this.accessOrder = accessOrder;
- }
該雜湊對映的迭代順序就是最後訪問其條目的順序，這種對映很適合構建LRU快取。LinkedHashMap提供了removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest)方法，在將新條目插入到對映後，put和 putAll將呼叫此方法。該方法可以提供在每次新增新條目時移除最舊條目的實現程式，預設返回false，這樣，此對映的行為將類似於正常對映，即永遠不能移除最舊的元素。
Java程式碼
- protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
- return false;
- }
此方法通常不以任何方式修改對映，相反允許對映在其返回值的指引下進行自我修改。如果用此對映構建LRU快取，則非常方便，它允許對映通過刪除舊條目來減少記憶體損耗。
例如：重寫此方法，維持此對映只儲存100個條目的穩定狀態，在每次新增新條目時刪除最舊的條目。
Java程式碼
- private static final int MAX_ENTRIES = 100;
- protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
- return size() > MAX_ENTRIES;
- }
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