JDK1.8源码分析：LinkedHashMap与LRU缓存设计思路

╰+攻爆jí腚メ 2022-03-20 02:06 204阅读 0赞

### 概述 ###

*  LinkedHashMap继承于HashMap，在HashMap的基础上，新增了两个特性：

1.  支持以节点的插入顺序来迭代该map内的所有节点；
2.  支持缓存设计中LRU的特性，即LinkedHashMap支持按访问顺序来排序节点，具体在内部实现为如果开启了这个特性，则每次通过get方法访问了一个节点，则该节点会被移动到内部的双向链表的末尾，故双向链表的头结点是最近最少访问的节点，尾节点为刚刚访问过的节点，中间节点依次类推。

* 以上两个特性是互斥存在的，默认是以节点插入顺序来排序节点，可以通过设置构造函数中的accessOrder为true来开启按节点访问顺序排序。
 
 /** * Constructs an empty <tt>LinkedHashMap</tt> instance with the * specified initial capacity, load factor and ordering mode. * * @param initialCapacity the initial capacity * @param loadFactor the load factor * @param accessOrder the ordering mode - <tt>true</tt> for * access-order, <tt>false</tt> for insertion-order * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative * or the load factor is nonpositive */
 public LinkedHashMap(int initialCapacity,
 float loadFactor,
 boolean accessOrder) { 
 super(initialCapacity, loadFactor);
 this.accessOrder = accessOrder;
 }
 * 以上两个特性都是基于在LinkedHashMap中额外维护了一个双向链表来实现。
 * 以上两个特性都是在迭代器中体现，具体为entrySet方法，keySet方法，values方法，在for循环遍历这些方法返回的集合。

### 数据结构与核心字段 ###

* LinkedHashMap继承于HashMap，节点数据也是存储在HashMap的哈希表table数组中。
 * 为了支持以上两个特性，在LinkedHashMap内部额外维护了一个双向链表的数据结构：对HashMap的节点Node进行了拓展，定义了双向链表的节点数据结构Entry，增加了before和after两个指针，分别为指向前节点和后节点，从而实现双向链表的特性。
 * 如下为在LinkedHashMap内部定义的双向链表的链表节点Entry，双向链表的头结点指针head，双向链表的尾节点指针tail：
 
 // 双向链表数据结构
 /** * HashMap.Node subclass for normal LinkedHashMap entries. */
 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);
 }
 }
 
 /** * The head (eldest) of the doubly linked list. */
 transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
 
 /** * The tail (youngest) of the doubly linked list. */
 transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
 * 注意LinkedHashMap在HashMap的哈希表table数组内的链表的链表数据存储节点，使用的是这个拓展的Entry类；而对于红黑树节点，则还是使用HashMap中定义的。
 * 由于双向链表节点是LinkedHashMap额外的维护的结构，所以在增删改父类HashMap中的哈希表table数组中的数据节点时，需要回调LinkedHashMap中的对该双向链表增删改的方法来保持数据同步。

#### accessOrder：访问顺序排序开关 ####

* 在LinkedHashMap中定义了accessOrder字段来控制是否以访问顺序排序双向链表的节点：默认为false，不使用，使用双向链表节点插入顺序来排序。
 
 /** * The iteration ordering method for this linked hash map: <tt>true</tt> * for access-order, <tt>false</tt> for insertion-order. * * @serial */
 final boolean accessOrder;
 * accessOrder主要是在LinkedHashMap的get方法中使用，即在访问某个key对应的节点时，判断是否需要将在双向链表中对应的节点移动到双向链表末尾，具体在以下分析。

### 核心方法 ###

由于LinkedHashMap继承于HashMap，在内部也是使用HashMap的哈希表table数组来存储数据，LinkedHashMap主要是覆盖HashMap的相关方法或者实现HashMap的增删改回调方法，来对自身的双向链表进行调整，或者是利用自身维护的双向链表来对HashMap中的相关方法进行重写优化。

#### 覆盖HashMap的方法 ####

* 新增节点：newNode方法，覆盖HashMap的新增节点方法，返回的是LinkedHashMap内部定义的Entry节点，故在HashMap的哈希表table数组内部的链表的链表节点类型为Entry了。同时调用linkNodeLast方法将该节点放到内部的双向链表的末尾。
 
 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;
 }
 
 // 将该节点放到双向链表的末尾
 // link at the end of list
 private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) { 
 LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
 tail = p;
 if (last == null)
 head = p;
 else { 
 p.before = last;
 last.after = p;
 }
 }
 * 访问节点：get方法，在内部调用了HashMap的getNode方法来从HashMap的哈希表table数组查找该指定key对应的节点。额外增加通过accessOrder的判断来决定是否对自身的双向链表节点进行调整。
 
 /** * Returns the value to which the specified key is mapped, * or {@code null} if this map contains no mapping for the key. * * More formally, if this map contains a mapping from a key * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null : * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise * it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.) * * A return value of {@code null} does not necessarily * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}. * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to * distinguish these two cases. */
 public V get(Object key) { 
 Node<K,V> e;
 
 // getNode为在HashMap中定义的方法
 if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
 return null;
 
 // 判断是否以访问顺序排序双向链表节点
 if (accessOrder)
 afterNodeAccess(e);
 return e.value;
 }
 
 // 将当前访问的节点，调整到双向链表的末尾，实现按访问顺序排序的功能
 void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
 LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
 if (accessOrder && (last = tail) != e) { 
 LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
 (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
 p.after = null;
 if (b == null)
 head = a;
 else
 b.after = a;
 if (a != null)
 a.before = b;
 else
 last = b;
 if (last == null)
 head = p;
 else { 
 p.before = last;
 last.after = p;
 }
 tail = p;
 ++modCount;
 }
 }
 * containsValue：判断map中是否存在指定value的节点，重写了hashMap的containsValue方法，利用双向链表来查找。在HashMap中需要遍历哈希表table数组，然后遍历数组中每个元素对应的链表，即从链表头开始一个个比较。
 
 /** * Returns <tt>true</tt> if this map maps one or more keys to the * specified value. * * @param value value whose presence in this map is to be tested * @return <tt>true</tt> if this map maps one or more keys to the * specified value */
 public boolean containsValue(Object value) { 
 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;
 }
 * 清空数据方法：clear，主要是调用父类HashMap的clear来完成对哈希表table数组内部所有数据的清空，在LinkedHashMap中需要将双向链表的头指针和尾指针均置为null。
 
 /** * {@inheritDoc} */
 public void clear() { 
 super.clear();
 head = tail = null;
 }

#### HashMap的增删改的回调方法 ####

以上方法由于HashMap没有提供回调方法来进行拓展，故需要在LinkedHashMap中显式重写来加入对双向链表的操作。在HashMap中对于增删改节点对应了回调方法，故可以在LinkedHashMap中实现这些回调方法即可。

* 如下为在HashMap中声明的回调方法：
 
 // Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
 void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
 void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
 void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }
 * afterNodeAccess：节点访问回调，主要在get方法中调用，可以参见以上get方法的分析。
 * afterNodeInsertion：节点插入回调，主要是在HashMap的putVal方法实现中最后调用，即在往HashMap的哈希表table数组插入数据相关查找完成后，最后调用afterNodeInsertion。LinkedHashMap的afterNodeInsertion回调实现如下：
 
 void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
 LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
 
 // 判断是否删除最近最少访问的节点
 if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) { 
 K key = first.key;
 // removeNode内部会调用afterNodeRemoval方法来调整该双向链表
 removeNode(hash(key), key, null, false, true);
 }
 }
 
 主要用于在基于LinkedHashMap来实现缓存时，实现缓存的LRU特性使用。
 * afterNodeRemoval：在HashMap删除某个节点时，回调afterNodeRemoval方法。LinkedHashMap的实现为在自身维护的双向链表中删除对应的链表节点：
 
 // 在HashMap中的链表节点e删除后，同步调整该双向链表，删除该节点
 void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink
 LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
 (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
 p.before = p.after = null;
 if (b == null)
 head = a;
 else
 b.after = a;
 if (a == null)
 tail = b;
 else
 a.before = b;
 }

### 迭代器 ###

* 在LinkedHashMap中，迭代器相关的操作是基于自身的双向链表，而不是父类HashMap的哈希表table数组来实现的，故迭代顺序是基于双向链表的顺序实现的，即以插入顺序（从前到后：最先插入->最后插入）排序或者访问顺序排序（从前到后：最近最少访问 -> 刚刚访问）。
 * LinkedHashMap的方法包括：entrySet方法，keySet方法，values方法
 * LinkedHashMap的迭代器定义：主要在构造函数中将next初始化为双向链表的头结点head。
 
 // Iterators
 
 abstract class LinkedHashIterator { 
 LinkedHashMap.Entry<K,V> next;
 LinkedHashMap.Entry<K,V> current;
 int expectedModCount;
 
 LinkedHashIterator() { 
 // 初始化为双向链表头结点head
 next = head;
 expectedModCount = modCount;
 current = null;
 }
 
 public final boolean hasNext() { 
 return next != null;
 }
 
 final LinkedHashMap.Entry<K,V> nextNode() { 
 LinkedHashMap.Entry<K,V> e = next;
 // 并发修改异常
 if (modCount != expectedModCount)
 throw new ConcurrentModificationException();
 if (e == null)
 throw new NoSuchElementException();
 current = e;
 next = e.after;
 return e;
 }
 
 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;
 }
 }

### LRU缓存 ###

* 由于LinkedHashMap支持按访问顺序排序双向链表的特性，故可以基于LinkedHashMap来实现一个LRU缓存，具体为拓展LinkedHashMap，在缓存类中，重写removeEldestEntry方法来定义删除最近最少访问的节点的条件。
 
 /** * Returns <tt>true</tt> if this map should remove its eldest entry. * This method is invoked by <tt>put</tt> and <tt>putAll</tt> after * inserting a new entry into the map. It provides the implementor * with the opportunity to remove the eldest entry each time a new one * is added. This is useful if the map represents a cache: it allows * the map to reduce memory consumption by deleting stale entries. * * Sample use: this override will allow the map to grow up to 100 * entries and then delete the eldest entry each time a new entry is * added, maintaining a steady state of 100 entries. * <pre> * private static final int MAX_ENTRIES = 100; * * protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) { * return size() > MAX_ENTRIES; * } * </pre> * * This method typically does not modify the map in any way, * instead allowing the map to modify itself as directed by its * return value. It is permitted for this method to modify * the map directly, but if it does so, it must return * <tt>false</tt> (indicating that the map should not attempt any * further modification). The effects of returning <tt>true</tt> * after modifying the map from within this method are unspecified. * * This implementation merely returns <tt>false</tt> (so that this * map acts like a normal map - the eldest element is never removed). * * @param eldest The least recently inserted entry in the map, or if * this is an access-ordered map, the least recently accessed * entry. This is the entry that will be removed it this * method returns <tt>true</tt>. If the map was empty prior * to the <tt>put</tt> or <tt>putAll</tt> invocation resulting * in this invocation, this will be the entry that was just * inserted; in other words, if the map contains a single * entry, the eldest entry is also the newest. * @return <tt>true</tt> if the eldest entry should be removed * from the map; <tt>false</tt> if it should be retained. */
 protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) { 
 return false;
 }
 * 由以上分析可知，removeEldestEntry主要是在HashMap的新增节点的回调afterNodeInsertion中调用。在LinkedHashMap的afterNodeInsertion方法实现如下：
 
 void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
 LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
 
 // 判断是否删除最近最少访问的节点
 if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) { 
 K key = first.key;
 // removeNode内部会调用afterNodeRemoval方法来调整该双向链表
 removeNode(hash(key), key, null, false, true);
 }
 }
 
 1. 在afterNodeInsertion中，head头结点就是最近最少访问的节点，故在该缓存类中，需要设置accessOrder为true来开启按访问顺序排序；
 2. 在afterNodeInsertion中会调用HashMap的removeNode方法来删除双向链表头结点head对应的哈希表table的链表的链表节点，在HashMap的removeNode会回调LinkedHashMap的afterNodeRemoval来删除LinkedHashMap内部的双向链表的链表节点；
 3. 故在继承了LinkedHashMap的缓存类只需实现removeEldestEntry方法即可。
 * removeEldestEntry的方法实现例子：
 
 public class LRUCache extends LinkedHashMap { 
 
 private static final int MAX_ENTRIES = 100;
 
 public LRUCache(int initialCapacity, float loadFactor) { 
 	// 第三个参数为accessOrder
 super(initialCapacity, loadFactor, true);
 }
 
 protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) { 
 return size() > MAX_ENTRIES;
 }
 }