图解集合 5 : LinkedHashMap
来源:互联网 发布:掌阅软件下载 编辑:程序博客网 时间:2024/05/29 04:44
- 初识LinkedHashMap
- 四个关注点在LinkedHashMap上的答案
- LinkedHashMap基本数据结构
- 初始化LinkedHashMap
- LinkedHashMap添加元素
- 利用LinkedHashMap实现LRU算法缓存
- 代码演示LinkedHashMap按照访问顺序排序的效果
初识LinkedHashMap
上篇文章讲了HashMap,说明了,HashMap是一种非常常见、非常有用的集合,并且在多线程情况下使用不当会有线程安全问题。
大多数情况下,只要不涉及线程安全问题,Map基本都可以使用HashMap,不过HashMap有一个问题,就是迭代HashMap的顺序并不是HashMap放置的顺序,也就是无序。HashMap的这一缺点往往会带来困扰,因为有些场景,我们期待一个有序的Map。
这个时候,LinkedHashMap就闪亮登场了,它虽然增加了时间和空间上的开销,但是通过维护一个运行于所有条目的双向链表,LinkedHashMap保证了元素迭代的顺序。
四个关注点在LinkedHashMap上的答案
LinkedHashMap基本数据结构
关于LinkedHashMap,先提两点:
LinkedHashMap可以认为是HashMap+LinkedList,即它既使用HashMap操作数据结构,又使用LinkedList维护插入元素的先后顺序
LinkedHashMap的基本实现思想就是-多态。可以说,理解多态,再去理解LinkedHashMap原理会事半功倍;反之也是,对于LinkedHashMap原理的学习,也可以促进和加深对于多态的理解。
为什么可以这么说,首先看一下,LinkedHashMap的定义:
public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>{ ...}
看到,LinkedHashMap是HashMap的子类,自然LinkedHashMap也就继承了HashMap中所有非private的方法。再看一LinkedHashMap中本身的方法:
看到LinkedHashMap中并没有什么操作数据结构的方法,也就是说LinkedHashMap操作数据结构(比如put一个数据),和HashMap操作数据的方法完全一样,无非就是细节上有一些的不同罢了。
LinkedHashMap和HashMap的区别在于它们的基本数据结构上,看一下LinkedHashMap的基本数据结构,也就是Entry:
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> { //在原始Entry的基础上添加两个指针 Entry<K,V> before, after; //构造方法 Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { super(hash, key, value, next); } }
Entry属性:
- key :保存键
- value :保存值
- next :保存在桶中的下一个元素
- int hash :保存此节点的hash值
- before :保存按顺序插入的前节点
- after :保存按顺序插入的后节点
其中前面四个,也就是红色部分是从HashMap.Entry中继承过来的;后面两个,也就是蓝色部分是LinkedHashMap独有的。不要搞错了next和before、After,next是用于维护HashMap指定table位置上连接的Entry的顺序的,before、After是用于维护Entry插入的先后顺序的。
还是用图表示:
初始化LinkedHashMap
假如有这么一段代码:
public static void main(String[] args){ LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<String, String>(); linkedHashMap.put("111", "111"); linkedHashMap.put("222", "222");}
首先是第3行~第4行,new一个LinkedHashMap出来,看一下做了什么:
public LinkedHashMap() { //调用HashMap的构造方法 super(); accessOrder = false; }//HashMap中的构造方法public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR); table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY]; //HashMap中init方法为空 init();}//在LinedHashMap中重写了init方法void init() { header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null); header.before = header.after = header; }/** * The head of the doubly linked list. */private transient Entry<K,V> header;
这里出现了第一个多态:init()方法。尽管init()方法定义在HashMap中,但是由于:
1. LinkedHashMap重写了init方法
2. 实例化出来的是LinkedHashMap
因此实际调用的init方法是LinkedHashMap重写的init方法。假设header的地址是0×00000000,那么初始化完毕,实际上是这样的:
LinkedHashMap添加元素
继续看LinkedHashMap添加元素,也就是put(“111″,”111″)做了什么,首先当然是调用HashMap的put方法:
public V put(K key, V value) { //判断key值是否为空 if (key == null) return putForNullKey(value); //为了避免劣质hash值,重新hash int hash = hash(key.hashCode()); //获取元素在数组中的索引 int i = indexFor(hash, table.length); //查看元素是否存在,若存在改变值 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; //基本元素使用“==“,对象使用.equals方法 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } //记录元素改变的次数,发现在存在原值的情况下,对原值进行修改,并不会改变modCount modCount++; addEntry(hash, key, value, i); return null;}
第17行又是一个多态,因为LinkedHashMap重写了addEntry方法,因此addEntry调用的是LinkedHashMap重写了的方法:
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { createEntry(hash, key, value, bucketIndex); // Remove eldest entry if instructed, else grow capacity if appropriate Entry<K,V> eldest = header.after; if (removeEldestEntry(eldest)) { removeEntryForKey(eldest.key); } else { if (size >= threshold) resize(2 * table.length); }}
因为LinkedHashMap由于其本身维护了插入的先后顺序,因此LinkedHashMap可以用来做缓存,第5行~第7行是用来支持FIFO算法的,这里暂时不用去关心它。看一下createEntry方法:
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex]; //将元素插在桶的第一个位置 Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old); table[bucketIndex] = e; e.addBefore(header); size++;}//将元素插在链表元素的末尾private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) { after = existingEntry; before = existingEntry.before; before.after = this; after.before = this;}
第2行~第4行的代码和HashMap没有什么不同,新添加的元素放在table[i]上,差别在于LinkedHashMap还做了addBefore操作,这四行代码的意思就是让新的Entry和原链表生成一个双向链表。假设字符串111放在位置table[1]上,生成的Entry地址为0×00000001,那么用图表示是这样的:
如果熟悉LinkedList的源码应该不难理解,还是解释一下,注意下existingEntry表示的是header:
after=existingEntry,即新增的Entry的after=header地址,即after=0×00000000
before=existingEntry.before,即新增的Entry的before是header的before的地址,header的before此时是0×00000000,因此新增的Entry的before=0×00000000
before.after=this,新增的Entry的before此时为0×00000000即header,header的after=this,即header的after=0×00000001
after.before=this,新增的Entry的after此时为0×00000000即header,header的before=this,即header的before=0×00000001
这样,header与新增的Entry的一个双向链表就形成了。再看,新增了字符串222之后是什么样的,假设新增的Entry的地址为0×00000002,生成到table[2]上,用图表示是这样的:
就不细解释了,只要before、after清除地知道代表的是哪个Entry的就不会有什么问题。
总得来看,再说明一遍,LinkedHashMap的实现就是HashMap+LinkedList的实现方式,以HashMap维护数据结构,以LinkList的方式维护数据插入顺序。
利用LinkedHashMap实现LRU算法缓存
前面讲了LinkedHashMap添加元素,删除、修改元素就不说了,比较简单,和HashMap+LinkedList的删除、修改元素大同小异,下面讲一个新的内容。
LinkedHashMap可以用来作缓存,比方说LRUCache,看一下这个类的代码,很简单,就十几行而已:
public class LRUCache extends LinkedHashMap{ public LRUCache(int maxSize) { super(maxSize, 0.75F, true); maxElements = maxSize; } protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry eldest) { return size() > maxElements; } private static final long serialVersionUID = 1L; protected int maxElements;}
顾名思义,LRUCache就是基于LRU算法的Cache(缓存),这个类继承自LinkedHashMap,而类中看到没有什么特别的方法,这说明LRUCache实现缓存LRU功能都是源自LinkedHashMap的。LinkedHashMap可以实现LRU算法的缓存基于两点:
1. LinkedList首先它是一个Map,Map是基于K-V的,和缓存一致
2. LinkedList提供了一个boolean值可以让用户指定是否实现LRU
那么,首先我们了解一下什么是LRU:LRU即Least Recently Used,最近最少使用,也就是说,当缓存满了,会优先淘汰那些最近最不常访问的数据。比方说数据a,1天前访问了;数据b,2天前访问了,缓存满了,优先会淘汰数据b。
我们看一下LinkedHashMap带boolean型参数的构造方法:
public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) { super(initialCapacity, loadFactor); this.accessOrder = accessOrder;}
就是这个accessOrder,它表示:
1. false,所有的Entry按照插入的顺序排列
2. true,所有的Entry按照访问的顺序排列
第二点的意思就是,如果有1 2 3这3个Entry,那么访问了1,就把1移到尾部去,即2 3 1。每次访问都把访问的那个数据移到双向队列的尾部去,那么每次要淘汰数据的时候,双向队列最头的那个数据不就是最不常访问的那个数据了吗?换句话说,双向链表最头的那个数据就是要淘汰的数据。
“访问”,这个词有两层意思:
- 根据Key拿到Value,也就是get方法
- 修改Key对应的Value,也就是put方法
首先看一下get方法,它在LinkedHashMap中被重写:
public V get(Object key) { Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key); if (e == null) return null; e.recordAccess(this); return e.value;}
然后是put方法,沿用父类HashMap的:
public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key.hashCode()); int i = indexFor(hash, table.length); for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); return null;}
修改数据也就是第6行~第14行的代码。看到两端代码都有一个共同点:都调用了recordAccess方法,且这个方法是Entry中的方法,也就是说每次的recordAccess操作的都是某一个固定的Entry。
recordAccess,顾名思义,记录访问,也就是说你这次访问了双向链表,我就把你记录下来,怎么记录?把你访问的Entry移到尾部去。这个方法在HashMap中是一个空方法,就是用来给子类记录访问用的,看一下LinkedHashMap中的实现:
void recordAccess(HashMap<K,V> m) { LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m; if (lm.accessOrder) { lm.modCount++; remove(); addBefore(lm.header); }}private void remove() { before.after = after; after.before = before;}private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) { after = existingEntry; before = existingEntry.before; before.after = this; after.before = this;}
看到每次recordAccess的时候做了两件事情:
1. 把待移动的Entry的前后Entry相连(删除访问的Entry)
2. 把待移动的Entry移动到尾部(将访问的Entry添加到尾部)
当然,这一切都是基于accessOrder=true的情况下。最后用一张图表示一下整个recordAccess的过程吧:
代码演示LinkedHashMap按照访问顺序排序的效果
最后代码演示一下LinkedList按照访问顺序排序的效果,验证一下上一部分LinkedHashMap的LRU功能:
public static void main(String[] args){ LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap = new LinkedHashMap<String, String>(16, 0.75f, true); //添加元素 linkedHashMap.put("111", "111"); //添加元素 linkedHashMap.put("222", "222"); //添加元素 linkedHashMap.put("333", "333"); //添加元素 linkedHashMap.put("444", "444"); //输出元素序列 loopLinkedHashMap(linkedHashMap); //访问元素 linkedHashMap.get("111"); //输出元素序列 loopLinkedHashMap(linkedHashMap); //访问元素 linkedHashMap.put("222", "2222"); //输出元素序列 loopLinkedHashMap(linkedHashMap);}public static void loopLinkedHashMap(LinkedHashMap<String, String> linkedHashMap){ Set<Map.Entry<String, String>> set = inkedHashMap.entrySet(); Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = set.iterator(); while (iterator.hasNext()) { System.out.print(iterator.next() + "\t"); } System.out.println();}
注意这里的构造方法要用三个参数那个且最后的要传入true,这样才表示按照访问顺序排序。看一下代码运行结果:
111=111 222=222 333=333 444=444 222=222 333=333 444=444 111=111 333=333 444=444 111=111 222=2222
代码运行结果证明了两点:
- LinkedList是有序的;
- 每次访问一个元素(get或put),被访问的元素都被提到最后面去了。
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