JAVA LinkedHashSet 和 LinkedHashMap源码剖析

2019-11-06 07:21:26

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供稿：网友

引用自此博客文章，感谢CarpenterLee

java LinkedHashSet 和 LinkedHashMap源码剖析

Java LinkedHashMap和HashMap有什么区别和联系？为什么LinkedHashMap会有着更快的迭代速度？LinkedHashSet跟LinkedHashMap有着怎样的内在联系？本文从数据结构和算法层面，结合生动图解为读者一一解答。

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总体介绍

如果你已看过前面关于HashSet和HashMap，以及TreeSet和TreeMap的讲解，一定能够想到本文将要讲解的LinkedHashSet和LinkedHashMap其实也是一回事。LinkedHashSet和LinkedHashMap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）。因此本文将重点分析LinkedHashMap。

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

LinkedHashMap

事实上LinkedHashMap是HashMap的直接子类，二者唯一的区别是LinkedHashMap在HashMap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。

除了可以保迭代历顺序，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LinkedHashMap或LinkedHashSet中时，有两个方法需要特别关心：hashCode()和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LinkedHashMap或LinkedHashSet中，需要@Override hashCode()和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：

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，读者可自行参考前文，这里不再赘述。

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：

从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。从header的角度看，新的entry需要插入到双向链表的尾部。

put()

addEntry()代码如下：

// 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：

// 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：

从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。从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。

remove()

removeEntryForKey()对应的代码如下：

// LinkedHashMap.removeEntryForKey()，删除key值对应的entryfinal 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

前面已经说过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，这里不再赘述。

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; } ......}

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