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java linkedmap_java基础知识点整理[通俗易懂]

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java linkedmap_java基础知识点整理[通俗易懂]JAVA基础linkedlistlru_linkedhashmap

一、LinkedHashMap

1.定义：

        LinkedHashMap是HashMap和双向链表的合二为一，即一个将所有Entry节点链入一个双向链表的HashMap（LinkedHashMap = HashMap + 双向链表）

  • LinkedHashMap和HashMap是Java Collection Framework 的重要成员，也是Map族(如下图所示)
  • LinkedHashMap是HashMap的子类（拥有HashMap的所有特性）
  • LinkedHashMap和HashMap最多只允许一条Entry的键为Null(多条会覆盖)，但允许多条Entry的值为Null
  • LinkedHashMap 也是 Map 的一个非同步的实现
  • LinkedHashMap很好的支持LRU算法
  • HashMap是无序的，LinkedHashMap通过维护一个额外的双向链表保证了迭代顺序
  • 迭代顺序可以是插入顺序，也可以是访问顺序（即根据链表中元素的顺序可以将LinkedHashMap分为：保持插入顺序的LinkedHashMap和保持访问顺序的LinkedHashMap，其中LinkedHashMap的默认实现是按插入顺序排序的）

java linkedmap_java基础知识点整理[通俗易懂]

 LinkedHashMap的原理图：

java linkedmap_java基础知识点整理[通俗易懂]

 LinkedHashMap和HashMap的Entry结构图：

java linkedmap_java基础知识点整理[通俗易懂]

2.LinkedHashMap在JDK中的定义

LinkedHashMap继承关系：

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

LinkedHashMap成员变量：

  • 相比于Hashmap，LinkedHashMap新增 双向链表头结点header和标志位accessOrder 
  • accessOrder：
    • 默认为false（即默认按照插入顺序迭代）
    • 为true时（按照访问顺序迭代，支持实现LRU算法时）
private static final long serialVersionUID = 3801124242820219131L;
private transient Entry<K,V> header;//双向链表头节点，也即哨兵节点，里面不存储任何信息
private final boolean accessOrder;//有序性标识

LinkedHashMap构造方法（5种）：

  • 相比于Hashmap，LinkedHashMap并没有增加构造方法
//传入的参数为初始容量，加载因子，调用了父类的构造方法，按照插入顺序
public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        accessOrder = false;
    }
 
//传入的参数的初始容量，调用父类的构造方法，取得键值对的顺序是插入顺序
public LinkedHashMap(int initialCapacity) {
        super(initialCapacity);
        accessOrder = false;
    }
 
//无参构造，调用父类的构造方法，取得键值对的顺序是插入顺序
public LinkedHashMap() {
        super();
        accessOrder = false;
    }
 
//传入的参数是一个Map的集合，调用父类的构造方法，取得键值对的顺序是插入顺序
public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        super(m);
        accessOrder = false;
    }
 
//传入的参数为初始容量，加载因子，有序性标识（键值对保持顺序），调用了父类的构造方法
public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor,
                         boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        this.accessOrder = accessOrder;
    }

 LinkedHashMap的init()方法：

由 LinkedHashMap的五种构造方法可知：

  • 无论采用何种方式创建LinkedHashMap，其都会调用HashMap相应的构造函数
  • 不管调用HashMap的哪个构造函数，HashMap的构造函数都会在最后调用一个init()方法进行初始化
  • init()方法在HashMap中是一个空实现，而在LinkedHashMap中重写了它，用于初始化它所维护的双向链表
//Hashmap
/**
 * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
 * (16) and the default load factor (0.75).
 */
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    init();
}


//LinkedHashmap
@Override
    void init() {
        //header初始化
        //hash为-1，其他的参数均为null
        //也就是说这个header不在数组中
        //只是用来标志开始元素和标志结束元素的
        header = new Entry<>(-1, null, null, null);
        header.before = header.after = header;
    }

LinkedHashMap基本数据结构（Entry：具体结构图在定义中）：

  • LinkedHashMap中的Entry增加了两个指针 before 和 after，用于维护双向链接列表
    • before、after用于维护Entry插入的先后顺序
    • next用于维护HashMap各个桶中Entry的连接顺序
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);
        }

 LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)：

  • 构造一个与指定Map具有相同映射的 LinkedHashMap，其初始容量不小于16 (具体依赖于指定Map的大小)，负载因子是 0.75，是 Java Collection Framework 规范推荐提供的，源码如下：
/**
 * Constructs an insertion-ordered <tt>LinkedHashMap</tt> instance with
 * the same mappings as the specified map.  The <tt>LinkedHashMap</tt>
 * instance is created with a default load factor (0.75) and an initial
 * capacity sufficient to hold the mappings in the specified map.
 *
 * @param  m the map whose mappings are to be placed in this map
 * @throws NullPointerException if the specified map is null
 */
public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    super(m);       // 调用HashMap对应的构造函数
    accessOrder = false;    // 迭代顺序的默认值
}

3.LinkedHashMap的快速存取

LinkedHashMap 的存储实现 : put(key, vlaue)

  • LinkedHashMap完全继承了HashMap的 put(Key,Value) 方法
public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {      //数组为null时
            inflateTable(threshold);     //给数组根据阈值分配内容空间
        }
        if (key == null)      //key为null时
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);  //通过key计算hash
        int i = indexFor(hash, table.length);  //计算在数组中的索引位置
        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;
               //使用的是LinkedHashMap重写的方法
                         1 
                e.recordAccess(this);         
                return oldValue;
            }
        }
 
        modCount++;
       //addEntry调用的是LinkedHashMap重写了的方法
                 2 
        addEntry(hash, key, value, i);     
        return null;
    }
  • 只是对put(Key,Value)方法所调用的recordAccess方法和addEntry方法进行了重写
  • addEntry方法中还调用了removeEldestEntry方法，该方法是用来被重写的，一般如果用LinkedHashmap实现LRU算法，就要重写该方法
  • 比如可以将该方法覆写为如果设定的内存已满，则返回true，这样当再次向LinkedHashMap中putEntry时，在调用的addEntry方法中便会将近期最少使用的节点删除掉（header后的那个节点）
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {      1
            //将传入的HashMap类型的m强制转换成LinkedHashMap类型的    
            LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;  
            //accessOrder默认的是false，当accessOrder为true时进入
            if (lm.accessOrder) { 
                lm.modCount++;
                //移除当前节点 
                remove(); 
                3      
                addBefore(lm.header);           
            }
        }  


void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {           2
        // 重写了HashMap中的createEntry方法
        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);  
 
        // Remove eldest entry if instructed
        Entry<K,V> eldest = header.after;   //还是header自身
        if (removeEldestEntry(eldest)) {            4
            removeEntryForKey(eldest.key);
        } else {  
        //扩容到原来的2倍  
        if (size >= threshold)             5
            resize(2 * table.length);  
    }  
}




protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {    4
    return false;
}
  • 在LinkedHashMap的addEntry方法中，它重写了HashMap中的createEntry方法

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { 
    // 向哈希表中插入Entry，这点与HashMap中相同 
    //创建新的Entry并将其链入到数组对应桶的链表的头结点处， 
    HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];  
    Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old);  
    table[bucketIndex] = e;     

    //在每次向哈希表插入Entry的同时，都会将其插入到双向链表的尾部，  
    //这样就按照Entry插入LinkedHashMap的先后顺序来迭代元素
    //(LinkedHashMap根据双向链表重写了迭代器)
    //同时，新put进来的Entry是最近访问的Entry，把其放在链表末尾 ，也符合LRU算法的实现  
    e.addBefore(header);  
    size++;  
}
  • 在LinkedHashMap中向哈希表中插入新Entry的同时，还会通过Entry的addBefore方法将其链入到双向链表中
  • addBefore方法本质上是一个双向链表的插入操作
//插入有序不做处理，在访问有序做相应处理：addBefore（将当前节点插到header的前面）
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {             3
            after  = existingEntry;     //existingEntry即为header
            before = existingEntry.before;
            before.after = this;     //this即为要插入的节点
            after.before = this;
}
  • LinkedHashMap完全继承了HashMap的resize()方法，只是对它所调用的transfer方法进行了重写
  • Map扩容操作的核心在于重哈希
  • 重哈希是指重新计算原HashMap中的元素在新table数组中的位置并进行复制处理的过程，鉴于性能和LinkedHashMap自身特点的考量，LinkedHashMap对重哈希过程(transfer方法)进行了重写
void resize(int newCapacity) {       5
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;

    // 若 oldCapacity 已达到最大值，直接将 threshold 设为 Integer.MAX_VALUE
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;             // 直接返回
    }

    // 否则，创建一个更大的数组
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];

    //将每条Entry重新哈希到新的数组中
            6
    transfer(newTable);  //LinkedHashMap对它所调用的transfer方法进行了重写

    table = newTable;
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  // 重新设定 threshold
}




void transfer(HashMap.Entry[] newTable) {     6
    int newCapacity = newTable.length;
    // 与HashMap相比，借助于双向链表的特点进行重哈希使得代码更加简洁
    for (Entry<K,V> e = header.after; e != header; e = e.after) {
        int index = indexFor(e.hash, newCapacity);   // 计算每个Entry所在的桶
        // 将其链入桶中的链表
        e.next = newTable[index];
        newTable[index] = e;   
    }
}

LinkedHashMap 的读取实现 ：get(Object key)

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;
    }
 
 
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);
        }
 
//在HashMap的put和get方法中，会调用该方法，在HashMap中该方法为空；
//在LinkedHashMap中，
//当按访问顺序排序时，该方法会将当前节点插入到链表尾部(头结点的前一个节点)，
//否则不做任何事
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
            LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
            if (lm.accessOrder) {
                lm.modCount++;
//移除当前节点
                remove();
//将当前节点插入到头结点前面
                addBefore(lm.header);
            }
        }
        private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
            after  = existingEntry;
            before = existingEntry.before;
            before.after = this;
            after.before = this;
        }
  • recordAccess方法：
    • 如果链表中元素的排序规则是按照插入的先后顺序排序的话（accessOrder=false），该方法什么也不做
    • 如果链表中元素的排序规则是按照访问的先后顺序排序的话（accessOrder=true），则将e移到链表的末尾处
  • 调用LinkedHashMap的get(Object key)方法，返回值是 NULL，有如下两种可能：
    • 该 key 对应的值就是 null
    • HashMap 中不存在该 key

二、LinkeList与LRU(Least recently used，最近最少使用)算法

        当accessOrder标志位为true时，表示双向链表中的元素按照访问的先后顺序排列，可以看到，虽然Entry插入链表的顺序依然是按照其put到LinkedHashMap中的顺序，但put和get方法均有调用recordAccess方法（put方法在key相同时会调用）

        recordAccess方法判断accessOrder是否为true，如果是，则将当前访问的Entry（put进来的Entry或get出来的Entry）移到双向链表的尾部（key不相同时，put新Entry时，会调用addEntry，它会调用createEntry，该方法同样将新插入的元素放入到双向链表的尾部，既符合插入的先后顺序，又符合访问的先后顺序，因为这时该Entry也被访问了）

        当标志位accessOrder的值为false时，表示双向链表中的元素按照Entry插入LinkedHashMap到中的先后顺序排序，即每次put到LinkedHashMap中的Entry都放在双向链表的尾部，这样遍历双向链表时，Entry的输出顺序便和插入的顺序一致，这也是默认的双向链表的存储顺序

        当标志位accessOrder的值为false时，虽然也会调用recordAccess方法，但不做任何操作

具体分析代码见内容一、LinkedList

1.使用LinkedList实现LRU算法

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

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    public LRU(int initialCapacity,
             float loadFactor,
                        boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor, accessOrder);
    }

    /** 
     * @description 重写LinkedHashMap中的removeEldestEntry方法，当LRU中元素多余6个时，
     *              删除最不经常使用的元素
     * @author rico       
     * @created 2017年5月12日 上午11:32:51      
     * @param eldest
     * @return     
     * @see java.util.LinkedHashMap#removeEldestEntry(java.util.Map.Entry)     
     */  
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry<K, V> eldest) {
        // TODO Auto-generated method stub
        if(size() > 6){
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {

        LRU<Character, Integer> lru = new LRU<Character, Integer>(
                16, 0.75f, true);

        String s = "abcdefghijkl";
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            lru.put(s.charAt(i), i);
        }
        System.out.println("LRU中key为h的Entry的值为： " + lru.get('h'));
        System.out.println("LRU的大小 ：" + lru.size());
        System.out.println("LRU ：" + lru);
    }
}

代码运行结果图

https://camo.githubusercontent.com/d6bb9433960255bc9266852d29706dc3c97a3945dc7908882c07bcf79ae297c8/687474703a2f2f7374617469632e7a7962756c756f2e636f6d2f5269636f3132332f676a7a386d6a76686b6b68776a6c7a72356f3862323779762f4c52552e706e67

2.LinkedList有序性原理分析

        LinkedHashMap 增加了双向链表头结点header 和 标志位accessOrder两个属性用于保证迭代顺序。但是要想真正实现其有序性，还差临门一脚，那就是重写HashMap 的迭代器，其源码实现如下：

private abstract class LinkedHashIterator<T> implements Iterator<T> {
    Entry<K,V> nextEntry    = header.after;
    Entry<K,V> lastReturned = null;

    /**
     * The modCount value that the iterator believes that the backing
     * List should have.  If this expectation is violated, the iterator
     * has detected concurrent modification.
     */
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {         // 根据双向列表判断 
            return nextEntry != header;
    }

    public void remove() {
        if (lastReturned == null)
        throw new IllegalStateException();
        if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();

            LinkedHashMap.this.remove(lastReturned.key);
            lastReturned = null;
            expectedModCount = modCount;
    }

    Entry<K,V> nextEntry() {        // 迭代输出双向链表各节点
        if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
            if (nextEntry == header)
                throw new NoSuchElementException();

            Entry<K,V> e = lastReturned = nextEntry;
            nextEntry = e.after;
            return e;
    }
}

// Key 迭代器，KeySet
private class KeyIterator extends LinkedHashIterator<K> {   
    public K next() { return nextEntry().getKey(); }
}

   // Value 迭代器，Values(Collection)
private class ValueIterator extends LinkedHashIterator<V> {
    public V next() { return nextEntry().value; }
}

// Entry 迭代器，EntrySet
private class EntryIterator extends LinkedHashIterator<Map.Entry<K,V>> {
    public Map.Entry<K,V> next() { return nextEntry(); }
}

三、总结

  • 上文是基于JDK1.6的实现，实际上JDK1.8对其进行了改动
  • linkedhashmap在hashmap的数组加链表结构的基础上，将所有节点连成了一个双向链表
  • 当主动传入的accessOrder参数为false时, 使用put方法时，新加入元素不仅加入哈希桶中，还被加入双向链表末尾，get方法使用时不会把元素放到双向链表尾部
  • 当主动传入的accessOrder参数为true时，使用put方法新加入的元素，如果遇到了哈希冲突，并且对key值相同的元素进行了替换，就会被放在双向链表的尾部，当元素超过上限且removeEldestEntry方法返回true时，直接删除最早元素以便新元素插入。如果没有冲突直接放入，同样加入到链表尾部。使用get方法时会把get到的元素放入双向链表尾部
  • inkedhashmap的扩容比hashmap来的方便，因为hashmap需要将原来的每个链表的元素分别在新数组进行反向插入链化，而linkedhashmap的元素都连在一个链表上，可以直接迭代然后插入
  • linkedhashmap的removeEldestEntry方法默认返回false，要实现LRU很重要的一点就是集合满时要将最久未访问的元素删除，在linkedhashmap中这个元素就是头指针指向的元素。实现LRU可以直接实现继承linkedhashmap并重写removeEldestEntry方法来设置缓存大小。jdk中实现了LRUCache也可以直接使用
  • 在put操作上，虽然LinkedHashMap完全继承了HashMap的put操作，但是在细节上还是做了一定的调整，比如，在LinkedHashMap中向哈希表中插入新Entry的同时，还会通过Entry的addBefore方法将其链入到双向链表中
  • 在扩容操作上，虽然LinkedHashMap完全继承了HashMap的resize操作，但是鉴于性能和LinkedHashMap自身特点的考量，LinkedHashMap对其中的重哈希过程(transfer方法)进行了重写
  • 在读取操作上，LinkedHashMap中重写了HashMap中的get方法（加入recordAccess方法，重写transfer方法），通过HashMap中的getEntry方法获取Entry对象

参考文章：

（LRU与linkedlist建议看Github）Java-Tutorial/Java集合详解5：深入理解LinkedHashMap和LRU缓存.md at master · h2pl/Java-Tutorial · GitHub

LinkedHashMap源码解读_ZQ_313的博客-CSDN博客 

今天的文章java linkedmap_java基础知识点整理[通俗易懂]分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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