LinkedHashMap 的实现原理

LinkedHashMap 概述

HashMap 是无序的，HashMap 在 put 的时候是根据 key 的 hashcode 进行 hash 然后放入对应的地方。所以在按照一定顺序 put 进 HashMap 中，然后遍历出 HashMap 的顺序跟 put 的顺序不同（除非在 put 的时候 key 已经按照 hashcode 排序号了，这种几率非常小）

JAVA 在 JDK1.4 以后提供了 LinkedHashMap 来帮助我们实现了有序的 HashMap！

LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类，它保留插入的顺序，如果需要输出的顺序和输入时的相同，那么就选用 LinkedHashMap。

LinkedHashMap 是 Map 接口的哈希表和链接列表实现，具有可预知的迭代顺序。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

LinkedHashMap 实现与 HashMap 的不同之处在于，LinkedHashMap 维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序，该迭代顺序可以是插入顺序或者是访问顺序。

注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问链接的哈希映射，而其中至少一个线程从结构上修改了该映射，则它必须保持外部同步。

根据链表中元素的顺序可以分为：按插入顺序的链表，和按访问顺序(调用 get 方法)的链表。默认是按插入顺序排序，如果指定按访问顺序排序，那么调用get方法后，会将这次访问的元素移至链表尾部，不断访问可以形成按访问顺序排序的链表。

小 Demo

我在最开始学习 LinkedHashMap 的时候，看到访问顺序、插入顺序等等，有点晕了，随着后续的学习才慢慢懂得其中原理，所以我会先在进行做几个 demo 来演示一下 LinkedHashMap 的使用。看懂了其效果，然后再来研究其原理。

HashMap

看下面这个代码：

public static void main(String[] args) {
    Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
    map.put("apple", "苹果");
    map.put("watermelon", "西瓜");
    map.put("banana", "香蕉");
    map.put("peach", "桃子");

    Iterator iter = map.entrySet().iterator();
    while (iter.hasNext()) {
        Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
        System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
    }
}

一个比较简单的测试 HashMap 的代码，通过控制台的输出，我们可以看到 HashMap 是没有顺序的。

banana=香蕉
apple=苹果
peach=桃子
watermelon=西瓜

LinkedHashMap

我们现在将 map 的实现换成 LinkedHashMap，其他代码不变：Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>();

看一下控制台的输出：

apple=苹果
watermelon=西瓜
banana=香蕉
peach=桃子

我们可以看到，其输出顺序是完成按照插入顺序的！也就是我们上面所说的保留了插入的顺序。我们不是在上面还提到过其可以按照访问顺序进行排序么？好的，我们还是通过一个例子来验证一下：

public static void main(String[] args) {
    Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>(16,0.75f,true);
    map.put("apple", "苹果");
    map.put("watermelon", "西瓜");
    map.put("banana", "香蕉");
    map.put("peach", "桃子");

    map.get("banana");
    map.get("apple");

    Iterator iter = map.entrySet().iterator();
    while (iter.hasNext()) {
        Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
        System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
    }
}

代码与之前的都差不多，但我们多了两行代码，并且初始化 LinkedHashMap 的时候，用的构造函数也不相同，看一下控制台的输出结果：

watermelon=西瓜
peach=桃子
banana=香蕉
apple=苹果

这也就是我们之前提到过的，LinkedHashMap 可以选择按照访问顺序进行排序。

LinkedHashMap 的实现

对于 LinkedHashMap 而言，它继承与 HashMap(public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>)、底层使用哈希表与双向链表来保存所有元素。其基本操作与父类 HashMap 相似，它通过重写父类相关的方法，来实现自己的链接列表特性。下面我们来分析 LinkedHashMap 的源代码：

成员变量

LinkedHashMap 采用的 hash 算法和 HashMap 相同，但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。看源代码：

/**
* The iteration ordering method for this linked hash map: <tt>true</tt>
* for access-order, <tt>false</tt> for insertion-order.
* 如果为true，则按照访问顺序；如果为false，则按照插入顺序。
*/
private final boolean accessOrder;
/**
* 双向链表的表头元素。
 */
private transient Entry<K,V> header;

/**
* LinkedHashMap的Entry元素。
* 继承HashMap的Entry元素，又保存了其上一个元素before和下一个元素after的引用。
 */
private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
    Entry<K,V> before, after;
    ……
}

LinkedHashMap 中的 Entry 集成与 HashMap 的 Entry，但是其增加了 before 和 after 的引用，指的是上一个元素和下一个元素的引用。

初始化

通过源代码可以看出，在 LinkedHashMap 的构造方法中，实际调用了父类 HashMap 的相关构造方法来构造一个底层存放的 table 数组，但额外可以增加 accessOrder 这个参数，如果不设置，默认为 false，代表按照插入顺序进行迭代；当然可以显式设置为 true，代表以访问顺序进行迭代。如：

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

我们已经知道 LinkedHashMap 的 Entry 元素继承 HashMap 的 Entry，提供了双向链表的功能。在上述 HashMap 的构造器中，最后会调用 init() 方法，进行相关的初始化，这个方法在 HashMap 的实现中并无意义，只是提供给子类实现相关的初始化调用。

但在 LinkedHashMap 重写了 init() 方法，在调用父类的构造方法完成构造后，进一步实现了对其元素 Entry 的初始化操作。

/**
* Called by superclass constructors and pseudoconstructors (clone,
* readObject) before any entries are inserted into the map.  Initializes
* the chain.
*/
@Override
void init() {
  header = new Entry<>(-1, null, null, null);
  header.before = header.after = header;
}

存储

LinkedHashMap 并未重写父类 HashMap 的 put 方法，而是重写了父类 HashMap 的 put 方法调用的子方法void recordAccess(HashMap m) ，void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 和void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)，提供了自己特有的双向链接列表的实现。我们在之前的文章中已经讲解了HashMap的put方法，我们在这里重新贴一下 HashMap 的 put 方法的源代码：

HashMap.put:

public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
}

重写方法：

void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
    LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
    if (lm.accessOrder) {
        lm.modCount++;
        remove();
        addBefore(lm.header);
        }
}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 调用create方法，将新元素以双向链表的的形式加入到映射中。
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

    // 删除最近最少使用元素的策略定义
    Entry<K,V> eldest = header.after;
    if (removeEldestEntry(eldest)) {
        removeEntryForKey(eldest.key);
    } else {
        if (size >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }
}

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;
    // 调用元素的addBrefore方法，将元素加入到哈希、双向链接列表。
    e.addBefore(header);
    size++;
}

private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
    after  = existingEntry;
    before = existingEntry.before;
    before.after = this;
    after.before = this;
}

读取

LinkedHashMap 重写了父类 HashMap 的 get 方法，实际在调用父类 getEntry() 方法取得查找的元素后，再判断当排序模式 accessOrder 为 true 时，记录访问顺序，将最新访问的元素添加到双向链表的表头，并从原来的位置删除。由于的链表的增加、删除操作是常量级的，故并不会带来性能的损失。

public V get(Object key) {
    // 调用父类HashMap的getEntry()方法，取得要查找的元素。
    Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
    if (e == null)
        return null;
    // 记录访问顺序。
    e.recordAccess(this);
    return e.value;
}

void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
    LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
    // 如果定义了LinkedHashMap的迭代顺序为访问顺序，
    // 则删除以前位置上的元素，并将最新访问的元素添加到链表表头。
    if (lm.accessOrder) {
        lm.modCount++;
        remove();
        addBefore(lm.header);
    }
}

/**
* Removes this entry from the linked list.
*/
private void remove() {
    before.after = after;
    after.before = before;
}

/**clear链表，设置header为初始状态*/
public void clear() {
 super.clear();
 header.before = header.after = header;
}

排序模式

LinkedHashMap 定义了排序模式 accessOrder，该属性为 boolean 型变量，对于访问顺序，为 true；对于插入顺序，则为 false。一般情况下，不必指定排序模式，其迭代顺序即为默认为插入顺序。

这些构造方法都会默认指定排序模式为插入顺序。如果你想构造一个 LinkedHashMap，并打算按从近期访问最少到近期访问最多的顺序（即访问顺序）来保存元素，那么请使用下面的构造方法构造 LinkedHashMap：public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)

该哈希映射的迭代顺序就是最后访问其条目的顺序，这种映射很适合构建 LRU 缓存。LinkedHashMap 提供了 removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) 方法。该方法可以提供在每次添加新条目时移除最旧条目的实现程序，默认返回 false，这样，此映射的行为将类似于正常映射，即永远不能移除最旧的元素。

我们会在后面的文章中详细介绍关于如何用 LinkedHashMap 构建 LRU 缓存。

总结

其实 LinkedHashMap 几乎和 HashMap 一样：从技术上来说，不同的是它定义了一个 Entry<K,V> header，这个 header 不是放在 Table 里，它是额外独立出来的。LinkedHashMap 通过继承 hashMap 中的 Entry<K,V>,并添加两个属性 Entry<K,V> before,after,和 header 结合起来组成一个双向链表，来实现按插入顺序或访问顺序排序。

在写关于 LinkedHashMap 的过程中，记起来之前面试的过程中遇到的一个问题，也是问我 Map 的哪种实现可以做到按照插入顺序进行迭代？当时脑子是突然短路的，但现在想想，也只能怪自己对这个知识点还是掌握的不够扎实，所以又从头认真的把代码看了一遍。

不过，我的建议是，大家首先首先需要记住的是：LinkedHashMap 能够做到按照插入顺序或者访问顺序进行迭代，这样在我们以后的开发中遇到相似的问题，才能想到用 LinkedHashMap 来解决，否则就算对其内部结构非常了解，不去使用也是没有什么用的。

我们学习的目的是为了更好的应用。