Java集合框架源碼剖析：LinkedHashSet 和 LinkedHashMap

Java LinkedHashMap和HashMap有什么區別和聯系？為什么LinkedHashMap會有着更快的迭代速度？LinkedHashSet跟LinkedHashMap有着怎樣的內在聯系？本文從數據結構和算法層面，結合生動圖解為讀者一一解答。

本文github地址

總體介紹

如果你已看過前面關於HashSet和HashMap，以及TreeSet和TreeMap的講解，一定能夠想到本文將要講解的LinkedHashSet和LinkedHashMap其實也是一回事。LinkedHashSet和LinkedHashMap在Java里也有着相同的實現，前者僅僅是對后者做了一層包裝，也就是說LinkedHashSet里面有一個LinkedHashMap（適配器模式）**。因此本文將重點分析LinkedHashMap。

LinkedHashMap實現了Map接口，即允許放入key為null的元素，也允許插入value為null的元素。從名字上可以看出該容器是linked list和HashMap的混合體，也就是說它同時滿足HashMap和linked list的某些特性。可將LinkedHashMap看作采用linked list增強的HashMap。

事實上LinkedHashMap是HashMap的直接子類，二者唯一的區別是LinkedHashMap在HashMap的基礎上，采用雙向鏈表（doubly-linked list）的形式將所有entry連接起來，這樣是為保證元素的迭代順序跟插入順序相同。上圖給出了LinkedHashMap的結構圖，主體部分跟HashMap完全一樣，多了header指向雙向鏈表的頭部（是一個啞元），該雙向鏈表的迭代順序就是entry的插入順序。

除了可以保迭代歷順序，這種結構還有一個好處：迭代LinkedHashMap時不需要像HashMap那樣遍歷整個table，而只需要直接遍歷header指向的雙向鏈表即可，也就是說LinkedHashMap的迭代時間就只跟entry的個數相關，而跟table的大小無關。

有兩個參數可以影響LinkedHashMap的性能：初始容量（inital capacity）和負載系數（load factor）。初始容量指定了初始table的大小，負載系數用來指定自動擴容的臨界值。當entry的數量超過capacity*load_factor時，容器將自動擴容並重新哈希。對於插入元素較多的場景，將初始容量設大可以減少重新哈希的次數。

將對象放入到LinkedHashMap或LinkedHashSet中時，有兩個方法需要特別關心：hashCode()和equals()。hashCode()方法決定了對象會被放到哪個bucket里，當多個對象的哈希值沖突時，equals()方法決定了這些對象是否是“同一個對象”。所以，如果要將自定義的對象放入到LinkedHashMap或LinkedHashSet中，需要@OverridehashCode()和equals()方法。

通過如下方式可以得到一個跟源Map 迭代順序一樣的LinkedHashMap：

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

出於性能原因，LinkedHashMap是非同步的（not synchronized），如果需要在多線程環境使用，需要程序員手動同步；或者通過如下方式將LinkedHashMap包裝成（wrapped）同步的：

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

方法剖析

get()

get(Object key)方法根據指定的key值返回對應的value。該方法跟HashMap.get()方法的流程幾乎完全一樣，讀者可自行參考前文，這里不再贅述。

put()

put(K key, V value)方法是將指定的key, value對添加到map里。該方法首先會對map做一次查找，看是否包含該元組，如果已經包含則直接返回，查找過程類似於get()方法；如果沒有找到，則會通過addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)方法插入新的entry。

注意，這里的插入有兩重含義：

1. 從table的角度看，新的entry需要插入到對應的bucket里，當有哈希沖突時，采用頭插法將新的entry插入到沖突鏈表的頭部。
2. 從header的角度看，新的entry需要插入到雙向鏈表的尾部。

addEntry()代碼如下：

// LinkedHashMap.addEntry()
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);// 自動擴容，並重新哈希
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = hash & (table.length-1);// hash%table.length
    }
    // 1.在沖突鏈表頭部插入新的entry
    HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
    Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);
    table[bucketIndex] = e;
    // 2.在雙向鏈表的尾部插入新的entry
    e.addBefore(header);
    size++;
}

上述代碼中用到了addBefore()方法將新entry e插入到雙向鏈表頭引用header的前面，這樣e就成為雙向鏈表中的最后一個元素。addBefore()的代碼如下：

// LinkedHashMap.Entry.addBefor()，將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;
}

上述代碼只是簡單修改相關entry的引用而已。

remove()

remove(Object key)的作用是刪除key值對應的entry，該方法的具體邏輯是在removeEntryForKey(Object key)里實現的。removeEntryForKey()方法會首先找到key值對應的entry，然后刪除該entry（修改鏈表的相應引用）。查找過程跟get()方法類似。

注意，這里的刪除也有兩重含義：

1. 從table的角度看，需要將該entry從對應的bucket里刪除，如果對應的沖突鏈表不空，需要修改沖突鏈表的相應引用。
2. 從header的角度來看，需要將該entry從雙向鏈表中刪除，同時修改鏈表中前面以及后面元素的相應引用。

removeEntryForKey()對應的代碼如下：

// LinkedHashMap.removeEntryForKey()，刪除key值對應的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];// 得到沖突鏈表
    Entry<K,V> e = prev;
    while (e != null) {// 遍歷沖突鏈表
        Entry<K,V> next = e.next;
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {// 找到要刪除的entry
            modCount++; size--;
            // 1. 將e從對應bucket的沖突鏈表中刪除
            if (prev == e) table[i] = next;
            else prev.next = next;
            // 2. 將e從雙向鏈表中刪除
            e.before.after = e.after;
            e.after.before = e.before;
            return e;
        }
        prev = e; e = next;
    }
    return e;
}

LinkedHashSet

前面已經說過LinkedHashSet是對LinkedHashMap的簡單包裝，對LinkedHashSet的函數調用都會轉換成合適的LinkedHashMap方法，因此LinkedHashSet的實現非常簡單，這里不再贅述。

public class LinkedHashSet<E>
    extends HashSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
    ......
    // LinkedHashSet里面有一個LinkedHashMap
    public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }
	......
    public boolean add(E e) {//簡單的方法轉換
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
    ......
}