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面试必备:LinkedHashMap源码解析(JDK8)

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张旭童
2017.08.20 15:00* 字数 1773

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1 概述

上文中,我们已经聊过了HashMap,本篇是基于上文的基础之上。所以如果没看过上文,请先阅读面试必备:HashMap源码解析(JDK8)
本文将从几个常用方法下手,来阅读LinkedHashMap的源码。
按照从构造方法->常用API(增、删、改、查)的顺序来阅读源码,并会讲解阅读方法中涉及的一些变量的意义。了解LinkedHashMap的特点、适用场景。

如果本文中有不正确的结论、说法,请大家提出和我讨论,共同进步,谢谢。

2 概要

概括的说,LinkedHashMap 是一个关联数组、哈希表,它是线程不安全的,允许key为null,value为null
它继承自HashMap,实现了Map<K,V>接口。其内部还维护了一个双向链表,在每次插入数据,或者访问、修改数据时,会增加节点、或调整链表的节点顺序。以决定迭代时输出的顺序。

默认情况,遍历时的顺序是按照插入节点的顺序。这也是其与HashMap最大的区别。
也可以在构造时传入accessOrder参数,使得其遍历顺序按照访问的顺序输出。

因继承自HashMap,所以HashMap上文分析的特点,除了输出无序,其他LinkedHashMap都有,比如扩容的策略,哈希桶长度一定是2的N次方等等。
LinkedHashMap在实现时,就是重写override了几个方法。以满足其输出序列有序的需求。

示例代码:

根据这段实例代码,先从现象看一下LinkedHashMap的特征:
在每次插入数据,或者访问、修改数据时,会增加节点、或调整链表的节点顺序。以决定迭代时输出的顺序。

        Map<String, String> map = new LinkedHashMap<>();
        map.put("1", "a");
        map.put("2", "b");
        map.put("3", "c");
        map.put("4", "d");

        Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }

        System.out.println("以下是accessOrder=true的情况:");

        map = new LinkedHashMap<String, String>(10, 0.75f, true);
        map.put("1", "a");
        map.put("2", "b");
        map.put("3", "c");
        map.put("4", "d");
        map.get("2");//2移动到了内部的链表末尾
        map.get("4");//4调整至末尾
        map.put("3", "e");//3调整至末尾
        map.put(null, null);//插入两个新的节点 null
        map.put("5", null);//5
        iterator = map.entrySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }

输出:

1=a
2=b
3=c
4=d
以下是accessOrder=true的情况:
1=a
2=b
4=d
3=e
null=null
5=null

3 节点

LinkedHashMap的节点Entry<K,V>继承自HashMap.Node<K,V>,在其基础上扩展了一下。改成了一个双向链表

    static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
        Entry<K,V> before, after;
        Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }
    }

同时类里有两个成员变量head tail,分别指向内部双向链表的表头、表尾。

    //双向链表的头结点
    transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

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

4 构造函数

    //默认是false,则迭代时输出的顺序是插入节点的顺序。若为true,则输出的顺序是按照访问节点的顺序。
    //为true时,可以在这基础之上构建一个LruCach
    final boolean accessOrder;
    
    public LinkedHashMap() {
        super();
        accessOrder = false;
    }
    //指定初始化时的容量,
    public LinkedHashMap(int initialCapacity) {
        super(initialCapacity);
        accessOrder = false;
    }
    //指定初始化时的容量,和扩容的加载因子
    public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        accessOrder = false;
    }
    //指定初始化时的容量,和扩容的加载因子,以及迭代输出节点的顺序
    public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor,
                         boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        this.accessOrder = accessOrder;
    }
    //利用另一个Map 来构建,
    public LinkedHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        super();
        accessOrder = false;
        //该方法上文分析过,批量插入一个map中的所有数据到 本集合中。
        putMapEntries(m, false);
    }
    

小结:
构造函数和HashMap相比,就是增加了一个accessOrder参数。用于控制迭代时的节点顺序。

5 增

LinkedHashMap并没有重写任何put方法。但是其重写了构建新节点的newNode()方法.
newNode()会在HashMapputVal()方法里被调用,putVal()方法会在批量插入数据putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict)或者插入单个数据public V put(K key, V value)时被调用。

LinkedHashMap重写了newNode(),在每次构建新节点时,通过linkNodeLast(p);新节点链接在内部双向链表的尾部

    //在构建新节点时,构建的是`LinkedHashMap.Entry` 不再是`Node`.
    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);
        linkNodeLast(p);
        return p;
    }
    //将新增的节点,连接在链表的尾部
    private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
        tail = p;
        //集合之前是空的
        if (last == null)
            head = p;
        else {//将新节点连接在链表的尾部
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
    }

以及HashMap专门预留给LinkedHashMapafterNodeAccess() afterNodeInsertion() afterNodeRemoval() 方法。

    // Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
    void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
    void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
    void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }
    //回调函数,新节点插入之后回调 , 根据evict 和   判断是否需要删除最老插入的节点。如果实现LruCache会用到这个方法。
    void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
        LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
        //LinkedHashMap 默认返回false 则不删除节点
        if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
            K key = first.key;
            removeNode(hash(key), key, null, false, true);
        }
    }
    //LinkedHashMap 默认返回false 则不删除节点。 返回true 代表要删除最早的节点。通常构建一个LruCache会在达到Cache的上限是返回true
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
        return false;
    }

void afterNodeInsertion(boolean evict)以及boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest)是构建LruCache需要的回调,在LinkedHashMap里可以忽略它们。

6 删

LinkedHashMap也没有重写remove()方法,因为它的删除逻辑和HashMap并无区别。
但它重写了afterNodeRemoval()这个回调方法。该方法会在Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value, boolean matchValue, boolean movable)方法中回调,removeNode()会在所有涉及到删除节点的方法中被调用,上文分析过,是删除节点操作的真正执行者。

    //在删除节点e时,同步将e从双向链表上删除
    void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        //待删除节点 p 的前置后置节点都置空
        p.before = p.after = null;
        //如果前置节点是null,则现在的头结点应该是后置节点a
        if (b == null)
            head = a;
        else//否则将前置节点b的后置节点指向a
            b.after = a;
        //同理如果后置节点时null ,则尾节点应是b
        if (a == null)
            tail = b;
        else//否则更新后置节点a的前置节点为b
            a.before = b;
    }

7 查

LinkedHashMap重写了get()和getOrDefault()方法:

    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;
    }
    public V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {
       Node<K,V> e;
       if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
           return defaultValue;
       if (accessOrder)
           afterNodeAccess(e);
       return e.value;
   }

对比HashMap中的实现,LinkedHashMap只是增加了在成员变量(构造函数时赋值)accessOrder为true的情况下,要去回调void afterNodeAccess(Node<K,V> e)函数。

    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

afterNodeAccess()函数中,会将当前被访问到的节点e,移动至内部的双向链表的尾部。

    void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
        LinkedHashMap.Entry<K,V> last;//原尾节点
        //如果accessOrder 是true ,且原尾节点不等于e
        if (accessOrder && (last = tail) != e) {
            //节点e强转成双向链表节点p
            LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
                (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
            //p现在是尾节点, 后置节点一定是null
            p.after = null;
            //如果p的前置节点是null,则p以前是头结点,所以更新现在的头结点是p的后置节点a
            if (b == null)
                head = a;
            else//否则更新p的前直接点b的后置节点为 a
                b.after = a;
            //如果p的后置节点不是null,则更新后置节点a的前置节点为b
            if (a != null)
                a.before = b;
            else//如果原本p的后置节点是null,则p就是尾节点。 此时 更新last的引用为 p的前置节点b
                last = b;
            if (last == null) //原本尾节点是null  则,链表中就一个节点
                head = p;
            else {//否则 更新 当前节点p的前置节点为 原尾节点last, last的后置节点是p
                p.before = last;
                last.after = p;
            }
            //尾节点的引用赋值成p
            tail = p;
            //修改modCount。
            ++modCount;
        }
    }

值得注意的是,afterNodeAccess()函数中,会修改modCount,因此当你正在accessOrder=true的模式下,迭代LinkedHashMap时,如果同时查询访问数据,也会导致fail-fast,因为迭代的顺序已经改变。

7.2 containsValue

它重写了该方法,相比HashMap的实现,更为高效

    public boolean containsValue(Object value) {
        //遍历一遍链表,去比较有没有value相等的节点,并返回
        for (LinkedHashMap.Entry<K,V> e = head; e != null; e = e.after) {
            V v = e.value;
            if (v == value || (value != null && value.equals(v)))
                return true;
        }
        return false;
    }

对比HashMap,是用两个for循环遍历,相对低效。

    public boolean containsValue(Object value) {
        Node<K,V>[] tab; V v;
        if ((tab = table) != null && size > 0) {
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
                    if ((v = e.value) == value ||
                        (value != null && value.equals(v)))
                        return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

8 遍历

重写了entrySet()如下:

    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
        Set<Map.Entry<K,V>> es;
        //返回LinkedEntrySet
        return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new LinkedEntrySet()) : es;
    }
    final class LinkedEntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
        public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
            return new LinkedEntryIterator();
        }
    }

最终的EntryIterator:

    final class LinkedEntryIterator extends LinkedHashIterator
        implements Iterator<Map.Entry<K,V>> {
        public final Map.Entry<K,V> next() { return nextNode(); }
    }
    
    abstract class LinkedHashIterator {
        //下一个节点
        LinkedHashMap.Entry<K,V> next;
        //当前节点
        LinkedHashMap.Entry<K,V> current;
        int expectedModCount;

        LinkedHashIterator() {
            //初始化时,next 为 LinkedHashMap内部维护的双向链表的扁头
            next = head;
            //记录当前modCount,以满足fail-fast
            expectedModCount = modCount;
            //当前节点为null
            current = null;
        }
        //判断是否还有next
        public final boolean hasNext() {
            //就是判断next是否为null,默认next是head  表头
            return next != null;
        }
        //nextNode() 就是迭代器里的next()方法 。
        //该方法的实现可以看出,迭代LinkedHashMap,就是从内部维护的双链表的表头开始循环输出。
        final LinkedHashMap.Entry<K,V> nextNode() {
            //记录要返回的e。
            LinkedHashMap.Entry<K,V> e = next;
            //判断fail-fast
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            //如果要返回的节点是null,异常
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            //更新当前节点为e
            current = e;
            //更新下一个节点是e的后置节点
            next = e.after;
            //返回e
            return e;
        }
        //删除方法 最终还是调用了HashMap的removeNode方法
        public final void remove() {
            Node<K,V> p = current;
            if (p == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            current = null;
            K key = p.key;
            removeNode(hash(key), key, null, false, false);
            expectedModCount = modCount;
        }
    }
    

值得注意的就是:nextNode() 就是迭代器里的next()方法 。
该方法的实现可以看出,迭代LinkedHashMap,就是从内部维护的双链表的表头开始循环输出
而双链表节点的顺序在LinkedHashMap增、删、改、查时都会更新。以满足按照插入顺序输出,还是访问顺序输出。

总结

LinkedHashMap相对于HashMap的源码比,是很简单的。因为大树底下好乘凉。它继承了HashMap,仅重写了几个方法,以改变它迭代遍历时的顺序。这也是其与HashMap相比最大的不同。
在每次插入数据,或者访问、修改数据时,会增加节点、或调整链表的节点顺序。以决定迭代时输出的顺序。

  • accessOrder ,默认是false,则迭代时输出的顺序是插入节点的顺序。若为true,则输出的顺序是按照访问节点的顺序。为true时,可以在这基础之上构建一个LruCache.
  • LinkedHashMap并没有重写任何put方法。但是其重写了构建新节点的newNode()方法.在每次构建新节点时,将新节点链接在内部双向链表的尾部
  • accessOrder=true的模式下,在afterNodeAccess()函数中,会将当前被访问到的节点e,移动至内部的双向链表的尾部。值得注意的是,afterNodeAccess()函数中,会修改modCount,因此当你正在accessOrder=true的模式下,迭代LinkedHashMap时,如果同时查询访问数据,也会导致fail-fast,因为迭代的顺序已经改变。
  • nextNode() 就是迭代器里的next()方法 。
    该方法的实现可以看出,迭代LinkedHashMap,就是从内部维护的双链表的表头开始循环输出
    而双链表节点的顺序在LinkedHashMap增、删、改、查时都会更新。以满足按照插入顺序输出,还是访问顺序输出。
  • 它与HashMap比,还有一个小小的优化,重写了containsValue()方法,直接遍历内部链表去比对value值是否相等。

那么,还有最后一个小问题?为什么它不重写containsKey()方法,也去循环比对内部链表的key是否相等呢?

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