LinkedHashMap源码解读与实现LRU缓存

LinkedHashMap继承HashMap
自定义全局变量header表示头节点

    private transient Entry<K,V> header;

    private final boolean accessOrder;

同时LinkedHashMap的自定义内部类Entry也继承了HashMap的Entry,但是新增了两个指针before和after。在哈希表的基础上又构成了双向链接列表。

   private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
        Entry<K,V> before, after;

        Entry(int hash, K key, V value, HashMap.Entry<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }

        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;
        }

        void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
            LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
            if (lm.accessOrder) {
                lm.modCount++;
                remove();
                addBefore(lm.header);
            }
        }

        void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
            remove();
        }
    }

构造方法:

    public LinkedHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor,
                         boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        this.accessOrder = accessOrder;
    }

可以看到,默认调用了父类HashMap的构造方法,传入loadFactor,默认为 false,代表按照插入顺序进行迭代。可以显式设置为 true,代表以访问顺序进行迭代。

    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);

        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = initialCapacity;
        init();
    }

可以看到最后一步构造调用了init()方法,在HashMap中方法为空。而在LinkedHashMap中重写了这个方法,进一步实现了对其元素Entry的初始化。

  @Override
    void init() {
        header = new Entry<>(-1, null, null,   );
        header.before = header.after = header;
    }

在HashMap中,其Put方法如下。它的Entry.recordAccess是空方法。
过程如下:先哈希定位到数组中哈希桶位置,然后遍历entry链表,如果hash相同并且key相同,覆盖原value,更新成新value。如果对应哈希桶中没有元素,调用addEntry()方法

    public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        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;
    }
   void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

   void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }

而LinkedHashMap没有重写Put方法,而是重写了父Entry.recordAccess()方法。还有addEntry(),createEntry()方法
如果accessOrder为真,表示按照访问顺序迭代时,调用addBefore(lm.header)方法,表示将元素放到最后。(双向链表,头结点的before代表最后元素)
注意:这里调用情况是,同一个哈希桶对应的entry链表的调整。


        /**
         * This method is invoked by the superclass whenever the value
         * of a pre-existing entry is read by Map.get or modified by Map.set.
         * If the enclosing Map is access-ordered, it moves the entry
         * to the end of the list; otherwise, it does nothing.
         */
        void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
            LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
            if (lm.accessOrder) {
                lm.modCount++;
                remove();
                addBefore(lm.header);
            }
        }

重写Entry.addBefore方法,实现链表的链接

private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
            after  = existingEntry;
            before = existingEntry.before;
            before.after = this;
            after.before = this;
        }

重写的addEnty,createEntry方法。主要是重写createEntry方法,通过调用 e.addBefore(header)完成链表的链接。

   /**
     * This override alters behavior of superclass put method. It causes newly
     * allocated entry to get inserted at the end of the linked list and
     * removes the eldest entry if appropriate.
     */
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        super.addEntry(hash, key, value, bucketIndex);

        // Remove eldest entry if instructed
        Entry<K,V> eldest = header.after;
        if (removeEldestEntry(eldest)) {
            removeEntryForKey(eldest.key);
        }
    }

    /**
     * This override differs from addEntry in that it doesn't resize the
     * table or remove the eldest entry.
     */
    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
        Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);
        table[bucketIndex] = e;
        e.addBefore(header);
        size++;
    }

LinkedHashMap 重写了父类 HashMap 的 get 方法,在每一次get后调用了我们前面分析过的recordAccess方法,将元素放置到最后一个,这样就形成了一个按访问顺序迭代的哈希链表。由于的链表的增加、删除操作是常量级的,故并不会带来性能的损失。

   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;
    }

如何通过这种数据结构实现lru缓存?
该哈希映射的迭代顺序就是最后访问其条目的顺序,这种映射很适合构建 LRU 缓存。LinkedHashMap 提供了 removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) 方法。该方法可以提供在每次添加新条目时移除最旧条目的实现程序,默认返回 false,这样,此映射的行为将类似于正常映射,即永远不能移除最旧的元素。

    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
        return false;
    }

LinkedHashMap在添加元素的时候会对此进行判断

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        super.addEntry(hash, key, value, bucketIndex);

        // Remove eldest entry if instructed
        Entry<K,V> eldest = header.after;
        if (removeEldestEntry(eldest)) {
            removeEntryForKey(eldest.key);
        }
    }

通过重写removeEldestEntry可以实现自定义容量的linkedlist
LRU具体实现代码如下:

public class LRUCache<K, V> {
    private static final float hashTableLoadFactor = 0.75f;
    private LinkedHashMap<K, V> map;
    private int cacheSize;
    static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LRUCache.class);

    public LRUCache(int cacheSize) {
        this.cacheSize = cacheSize;
        int hashTableCapacity = (int) Math
                .ceil(cacheSize / hashTableLoadFactor) + 1;
        map = new LinkedHashMap<K, V>(hashTableCapacity, hashTableLoadFactor, true) {
            private static final long serialVersionUID = 1;

            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
                return size() > LRUCache.this.cacheSize;
            }
        };
    }

    public synchronized V get(K key) {
        return map.get(key);
    }

    public synchronized void put(K key, V value) {
        map.put(key, value);
    }

    public synchronized Collection<Map.Entry<K, V>> getAll() {
        return Lists.newArrayList(map.entrySet());
    }


    public static void main(String[] args) {
        LRUCache<String, String> c = new LRUCache<String, String>(3);
        c.put("1", "one");
        c.put("2", "two");
        c.put("3", "three");
        c.put("4", "four");
        if (c.get("2") == null) {
            throw new Error();
        }
        c.put("5", "five");
        c.put("4", "second four");
        c.get("5");
        for (Map.Entry<String, String> e : c.getAll()) {
            logger.info(e.getKey() + " : " + e.getValue());
        }
    }

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