LinkedHashMap的实现原理(LRU算法)

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1. LinkedHashMap概述：

   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，后者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。

2. LinkedHashMap的实现：

对于LinkedHashMap而言，它继承与HashMap、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：

1) Entry元素：

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：

Java代码

/**
* 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;
……
}

2) 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。如：

Java代码

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
super(initialCapacity, loadFactor);
accessOrder = false;
}

HashMap中的相关构造方法：

Java代码

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。
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。

Java代码

void init() {
header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);
header.before = header.after = header;
}

3) 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 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。

Java代码

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);
}
}

Java代码

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++;
}

Java代码

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

4) 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。

Java代码

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;
}

Java代码

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);
}
}

5) 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。

Java代码

private final boolean accessOrder;

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。看LinkedHashMap的构造方法，如：

Java代码

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
super(initialCapacity, loadFactor);
accessOrder = false;
}

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：

Java代码

public LinkedHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor,
boolean accessOrder) {
super(initialCapacity, loadFactor);
this.accessOrder = 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，在将新条目插入到映射后，put和 putAll将调用此方法。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。

Java代码

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
return false;
}

此方法通常不以任何方式修改映射，相反允许映射在其返回值的指引下进行自我修改。如果用此映射构建LRU缓存，则非常方便，它允许映射通过删除旧条目来减少内存损耗。
例如：重写此方法，维持此映射只保存100个条目的稳定状态，在每次添加新条目时删除最旧的条目。

Java代码

private static final int MAX_ENTRIES = 100;
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
return size() > MAX_ENTRIES;
}

3. 相关说明：

1) 在阅读本文前，请先了解：深入Java集合学习系列：HashMap的实现原理。

2) 相关HashSet的实现原理，请参考：深入Java集合学习系列：HashSet的实现原理。

3) 相关LinkedHashSet的实现原理，请参考：深入Java集合学习系列：LinkedHashSet的实现原理。

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LinkedHashMap的实现原理(LRU算法)

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