Java 7 - LinkedHashSet&Map
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。
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[参考前文在新窗口打开](https://github.com/CarpenterLee/JCFInternals/blob/master/markdown/6-HashSet and HashMap.md#get)，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。
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。
removeEntryForKey()对应的代码如下:
// 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
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; } ...... }
LinkedHashMap经典用法
LinkedHashMap除了可以保证迭代顺序外，还有一个非常有用的用法: 可以轻松实现一个采用了FIFO替换策略的缓存。具体说来，LinkedHashMap有一个子类方法protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest)，该方法的作用是告诉Map是否要删除“最老”的Entry，所谓最老就是当前Map中最早插入的Entry，如果该方法返回true，最老的那个元素就会被删除。在每次插入新元素的之后LinkedHashMap会自动询问removeEldestEntry()是否要删除最老的元素。这样只需要在子类中重载该方法，当元素个数超过一定数量时让removeEldestEntry()返回true，就能够实现一个固定大小的FIFO策略的缓存。示例代码如下:
/** 一个固定大小的FIFO替换策略的缓存 */ class FIFOCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V>{ private final int cacheSize; public FIFOCache(int cacheSize){ this.cacheSize = cacheSize; } // 当Entry个数超过cacheSize时，删除最老的Entry @Override protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) { return size() > cacheSize; } }
