LinkedHashSet和LinkedHashMap源码剖析

总体介绍

LinkedHashSetLinkedHashMap在Java里也有着相同的实现,前者仅仅是对后者做了一层包装,也就是说LinkedHashSet里面有一个LinkedHashMap(适配器模式)。

LinkedHashMap实现了Map接口,即允许放入 keynull 的元素,也允许插入 valuenull 的元素。从名字上可以看出该容器是LinkedListHashMap的混合体,也就是说它同时满足HashMapLinkedList的某些特性。可将LinkedHashMap看作采用LinkedList增强的HashMap

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private transient Entry<K,V> header;
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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);
}
}

事实上LinkedHashMapHashMap的直接子类,二者唯一的区别是LinkedHashMapHashMap的基础上,采用双向链表(doubly-linked list)的形式将所有 entry 连接起来,这样是为保证元素的迭代顺序跟插入顺序相同。上图给出了LinkedHashMap的结构图,主体部分跟HashMap完全一样,多了 header 指向双向链表的头部(是一个哑元),该双向链表的迭代顺序就是 entry 的插入顺序。

除了可以保证迭代顺序,这种结构还有一个好处:迭代LinkedHashMap时不需要像HashMap那样遍历整个 table ,而只需要直接遍历 header 指向的双向链表即可,也就是说LinkedHashMap的迭代时间就只跟 entry 的个数相关,而跟 table 的大小无关。

有两个参数可以影响LinkedHashMap的性能:初始容量(inital capacity)和负载系数(load factor)。初始容量指定了初始 table 的大小,负载系数用来指定自动扩容的临界值。当 entry 的数量超过 capacity*load_factor 时,容器将自动扩容并重新哈希。对于插入元素较多的场景,将初始容量设大可以减少重新哈希的次数。

将对象放入到LinkedHashMapLinkedHashSet中时,有两个方法需要特别关心: hashCode()equals()hashCode() 方法决定了对象会被放到哪个 bucket 里,当多个对象的哈希值冲突时,equals() 方法决定了这些对象是否是“同一个对象”。所以,如果要将自定义的对象放入到LinkedHashMapLinkedHashSet中,需要@Override hashCode()equals() 方法。

通过如下方式可以得到一个跟源Map迭代顺序一样的LinkedHashMap

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void foo(Map m) {
Map copy = new LinkedHashMap(m);
...
}

出于性能原因,LinkedHashMap是非同步的(not synchronized),如果需要在多线程环境使用,需要程序员手动同步;或者通过如下方式将LinkedHashMap包装成(wrapped)同步的:

Map m = Collections.synchronizedMap(new LinkedHashMap(...));

方法剖析

get()

get(Object key) 方法根据指定的 key 值返回对应的 value 。该方法跟 HashMap.get() 方法的流程几乎完全一样。

put()

put(K key, V value) 方法是将指定的 key, value 对添加到 map 里。该方法首先会对 map 做一次查找,看是否包含该元组,如果已经包含则直接返回,查找过程类似于 get() 方法;如果没有找到,则会通过 addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 方法插入新的 entry

注意,这里的插入有两重含义

  1. table 的角度看,新的 entry 需要插入到对应的 bucket 里,当有哈希冲突时,采用头插法将新的 entry 插入到冲突链表的头部。
  2. header 的角度看,新的 entry 需要插入到双向链表的尾部。

addEntry() 代码如下:

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// LinkedHashMap.addEntry()
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);// 自动扩容,并重新哈希
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = hash & (table.length-1);// hash%table.length
}
// 1.在冲突链表头部插入新的entry
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
// 2.在双向链表的尾部插入新的entry
e.addBefore(header);
size++;
}

上述代码中用到了 addBefore() 方法将新 entry e 插入到双向链表头引用 header 的前面,这样 e 就成为双向链表中的最后一个元素。 addBefore() 的代码如下:

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// LinkedHashMap.Entry.addBefor(),将this插入到existingEntry的前面
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}

上述代码只是简单修改相关 entry 的引用而已。

remove()

remove(Object key) 的作用是删除 key 值对应的 entry ,该方法的具体逻辑是在 removeEntryForKey(Object key) 里实现的。removeEntryForKey() 方法会首先找到 key 值对应的 entry ,然后删除该 entry (修改链表的相应引用)。查找过程跟 get() 方法类似。

注意,这里的删除也有两重含义

  1. table 的角度看,需要将该 entry 从对应的 bucket 里删除,如果对应的冲突链表不空,需要修改冲突链表的相应引用。
  2. header 的角度来看,需要将该 entry 从双向链表中删除,同时修改链表中前面以及后面元素的相应引用。

removeEntryForKey() 对应的代码如下:

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// LinkedHashMap.removeEntryForKey(),删除key值对应的entry
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
......
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);// hash&(table.length-1)
Entry<K,V> prev = table[i];// 得到冲突链表
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {// 遍历冲突链表
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {// 找到要删除的entry
modCount++; size--;
// 1. 将e从对应bucket的冲突链表中删除
if (prev == e) table[i] = next;
else prev.next = next;
// 2. 将e从双向链表中删除
e.before.after = e.after;
e.after.before = e.before;
return e;
}
prev = e; e = next;
}
return e;
}

LinkedHashSet

LinkedHashSet是对LinkedHashMap的简单包装,对LinkedHashSet的函数调用都会转换成合适的LinkedHashMap方法,因此LinkedHashSet的实现非常简单。

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public class LinkedHashSet<E>
extends HashSet<E>
implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
......
// LinkedHashSet里面有一个LinkedHashMap
public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
......
public boolean add(E e) {//简单的方法转换
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
......
}

参考