听说同学你搞不懂Java的LinkedHashMap,可笑

2020/08/12

先看再点赞,给自己一点思考的时间,微信搜索【沉默王二】关注这个有颜值却假装靠才华苟且的程序员。 本文 GitHub github.com/itwanger 已收录,里面还有我精心为你准备的一线大厂面试题。

同学们好啊,还记得 HashMap 那篇吗?我自己感觉写得非常棒啊,既通俗易懂,又深入源码,真的是分析得透透彻彻、清清楚楚、明明白白的。(一不小心又上仨成语?)HashMap 哪哪都好,真的,只要你想用键值对,第一时间就应该想到它。

但俗话说了,“金无足赤人无完人”,HashMap 也不例外。有一种需求它就满足不了,假如我们需要一个按照插入顺序来排列的键值对集合,那 HashMap 就无能为力了。因为为了提高查找效率,HashMap 在插入的时候对键做了一次哈希算法,这就导致插入的元素是无序的。

对这一点还不太明白的同学,可以再回到 HashMap 那一篇,看看我对 put() 方法的讲解。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;
    // ①、数组 table 为 null 时,调用 resize 方法创建默认大小的数组
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // ②、计算下标,如果该位置上没有值,则填充
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
}

这个公式 i = (n - 1) & hash 计算后的值并不是按照 0、1、2、3、4、5 这样有序的下标将键值对插入到数组当中的,而是有一定的随机性。

那 LinkedHashMap 就是为这个需求应运而生的。LinkedHashMap 继承了 HashMap,所以 HashMap 有的关于键值对的功能,它也有了。

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

此外,LinkedHashMap 内部又追加了双向链表,来维护元素的插入顺序。注意下面代码中的 before 和 after,它俩就是用来维护当前元素的前一个元素和后一个元素的顺序的。

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

关于双向链表,同学们可以回头看一遍我写的 LinkedList 那篇文章,会对理解本篇的 LinkedHashMap 有很大的帮助。

在继续下面的内容之前,我先贴一张图片,给大家增添一点乐趣——看我这心操的。 UUID 那篇文章的标题里用了“可笑”和“你”,结果就看到了下面这么乐呵的留言。

(到底是知道还是不知道,我搞不清楚了。。。)那 LinkedHashMap 这篇也用了“你”和“可笑”,不知道到时候会不会有人继续对号入座啊,想想就觉得特别欢乐。

01、插入顺序

HashMap 那篇文章里,我有讲解到一点,不知道同学们记不记得,就是 null 会插入到 HashMap 的第一位。

Map<String, String> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("沉", "沉默王二");
hashMap.put("默", "沉默王二");
hashMap.put("王", "沉默王二");
hashMap.put("二", "沉默王二");
hashMap.put(null, null);

for (String key : hashMap.keySet()) {
    System.out.println(key + " : " + hashMap.get(key));
}

输出的结果是:

null : null
默 : 沉默王二
沉 : 沉默王二
王 : 沉默王二
二 : 沉默王二

虽然 null 最后一位 put 进去的,但在遍历输出的时候,跑到了第一位。

那再来对比看一下 LinkedHashMap。

Map<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();
linkedHashMap.put("沉", "沉默王二");
linkedHashMap.put("默", "沉默王二");
linkedHashMap.put("王", "沉默王二");
linkedHashMap.put("二", "沉默王二");
linkedHashMap.put(null, null);

for (String key : linkedHashMap.keySet()) {
    System.out.println(key + " : " + linkedHashMap.get(key));
}

输出结果是:

沉 : 沉默王二
默 : 沉默王二
王 : 沉默王二
二 : 沉默王二
null : null

null 在最后一位插入,在最后一位输出。

输出结果可以再次证明,HashMap 是无序的,LinkedHashMap 是可以维持插入顺序的。

那 LinkedHashMap 是如何做到这一点呢?我相信同学们和我一样,非常希望知道原因。

要想搞清楚,就需要深入研究一下 LinkedHashMap 的源码。LinkedHashMap 并未重写 HashMap 的 put() 方法,而是重写了 put() 方法需要调用的内部方法 newNode()

HashMap.Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, HashMap.Node<K,V> e) {
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            new LinkedHashMap.Entry<>(hash, key, value, e);
    linkNodeLast(p);
    return p;
}

前面说了,LinkedHashMap.Entry 继承了 HashMap.Node,并且追加了两个字段 before 和 after。

那,紧接着来看看 linkNodeLast() 方法:

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;
    }
}

看到了吧,LinkedHashMap 在添加第一个元素的时候,会把 head 赋值为第一个元素,等到第二个元素添加进来的时候,会把第二个元素的 before 赋值为第一个元素,第一个元素的 afer 赋值为第二个元素。

这就保证了键值对是按照插入顺序排列的,明白了吧?

注:我用到的 JDK 版本为 14

02、访问顺序

LinkedHashMap 不仅能够维持插入顺序,还能够维持访问顺序。访问包括调用 get() 方法、remove() 方法和 put() 方法。

要维护访问顺序,需要我们在声明 LinkedHashMap 的时候指定三个参数。

LinkedHashMap<String, String> map = new LinkedHashMap<>(16, .75f, true);

第一个参数和第二个参数,看过 HashMap 的同学们应该很熟悉了,指的是初始容量和负载因子。

第三个参数如果为 true 的话,就表示 LinkedHashMap 要维护访问顺序;否则,维护插入顺序。默认是 false。

Map<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>(16, .75f, true);
linkedHashMap.put("沉", "沉默王二");
linkedHashMap.put("默", "沉默王二");
linkedHashMap.put("王", "沉默王二");
linkedHashMap.put("二", "沉默王二");

System.out.println(linkedHashMap);

linkedHashMap.get("默");
System.out.println(linkedHashMap);

linkedHashMap.get("王");
System.out.println(linkedHashMap);

输出的结果如下所示:

{沉=沉默王二, 默=沉默王二, 王=沉默王二, 二=沉默王二}
{沉=沉默王二, 王=沉默王二, 二=沉默王二, 默=沉默王二}
{沉=沉默王二, 二=沉默王二, 默=沉默王二, 王=沉默王二}

当我们使用 get() 方法访问键位“默”的元素后,输出结果中,默=沉默王二 在最后;当我们访问键位“王”的元素后,输出结果中,王=沉默王二 在最后,默=沉默王二 在倒数第二位。

也就是说,最不经常访问的放在头部,这就有意思了。有意思在哪呢?

我们可以使用 LinkedHashMap 来实现 LRU 缓存,LRU 是 Least Recently Used 的缩写,即最近最少使用,是一种常用的页面置换算法,选择最近最久未使用的页面予以淘汰。

public class MyLinkedHashMap<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {

    private static final int MAX_ENTRIES = 5;

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

    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
        return size() > MAX_ENTRIES;
    }

}

MyLinkedHashMap 是一个自定义类,它继承了 LinkedHashMap,并且重写了 removeEldestEntry() 方法——使 Map 最多可容纳 5 个元素,超出后就淘汰。

我们来测试一下。

MyLinkedHashMap<String,String> map = new MyLinkedHashMap<>(16,0.75f,true);
map.put("沉", "沉默王二");
map.put("默", "沉默王二");
map.put("王", "沉默王二");
map.put("二", "沉默王二");
map.put("一枚有趣的程序员", "一枚有趣的程序员");

System.out.println(map);

map.put("一枚有颜值的程序员", "一枚有颜值的程序员");
System.out.println(map);

map.put("一枚有才华的程序员","一枚有才华的程序员");
System.out.println(map);

输出结果如下所示:

{沉=沉默王二, 默=沉默王二, 王=沉默王二, 二=沉默王二, 一枚有趣的程序员=一枚有趣的程序员}
{默=沉默王二, 王=沉默王二, 二=沉默王二, 一枚有趣的程序员=一枚有趣的程序员, 一枚有颜值的程序员=一枚有颜值的程序员}
{王=沉默王二, 二=沉默王二, 一枚有趣的程序员=一枚有趣的程序员, 一枚有颜值的程序员=一枚有颜值的程序员, 一枚有才华的程序员=一枚有才华的程序员}

沉=沉默王二默=沉默王二 依次被淘汰出局。

假如在 put “一枚有才华的程序员”之前 get 了键位为“默”的元素:

MyLinkedHashMap<String,String> map = new MyLinkedHashMap<>(16,0.75f,true);
map.put("沉", "沉默王二");
map.put("默", "沉默王二");
map.put("王", "沉默王二");
map.put("二", "沉默王二");
map.put("一枚有趣的程序员", "一枚有趣的程序员");

System.out.println(map);

map.put("一枚有颜值的程序员", "一枚有颜值的程序员");
System.out.println(map);

map.get("默");
map.put("一枚有才华的程序员","一枚有才华的程序员");
System.out.println(map);

那输出结果就变了,对吧?

{沉=沉默王二, 默=沉默王二, 王=沉默王二, 二=沉默王二, 一枚有趣的程序员=一枚有趣的程序员}
{默=沉默王二, 王=沉默王二, 二=沉默王二, 一枚有趣的程序员=一枚有趣的程序员, 一枚有颜值的程序员=一枚有颜值的程序员}
{二=沉默王二, 一枚有趣的程序员=一枚有趣的程序员, 一枚有颜值的程序员=一枚有颜值的程序员, 默=沉默王二, 一枚有才华的程序员=一枚有才华的程序员}

沉=沉默王二王=沉默王二 被淘汰出局了。

那 LinkedHashMap 是如何来维持访问顺序呢?同学们感兴趣的话,可以研究一下下面这三个方法。

void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }

afterNodeAccess() 会在调用 get() 方法的时候被调用,afterNodeInsertion() 会在调用 put() 方法的时候被调用,afterNodeRemoval() 会在调用 remove() 方法的时候被调用。

我来以 afterNodeAccess() 为例来讲解一下。

void afterNodeAccess(HashMap.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;
    }
}

哪个元素被 get 就把哪个元素放在最后。了解了吧?

那同学们可能还想知道,为什么 LinkedHashMap 能实现 LRU 缓存,把最不经常访问的那个元素淘汰?

在插入元素的时候,需要调用 put() 方法,该方法最后会调用 afterNodeInsertion() 方法,这个方法被 LinkedHashMap 重写了。

void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
        K key = first.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    }
}

removeEldestEntry() 方法会判断第一个元素是否超出了可容纳的最大范围,如果超出,那就会调用 removeNode() 方法对最不经常访问的那个元素进行删除。

03、最后

由于 LinkedHashMap 要维护双向链表,所以 LinkedHashMap 在插入、删除操作的时候,花费的时间要比 HashMap 多一些。

这也是没办法的事,对吧,欲戴皇冠必承其重嘛。既然想要维护元素的顺序,总要付出点代价才行。

那这篇文章就到此戛然而止了,同学们要觉得意犹未尽,请肆无忌惮地留言告诉我哦。(一不小心又在文末甩仨成语,有点文化底蕴,对吧?)


我是沉默王二,一枚有颜值却假装靠才华苟且的程序员。关注即可提升学习效率,别忘了三连啊,点赞、收藏、留言,我不挑,奥利给🌹

注:如果文章有任何问题,欢迎毫不留情地指正。

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