LinkedHashMap为何能够实现LRU缓存

前言

Jdk中HashMap作为高频使用的数据结构能够满足大多数业务场景，但要HashMap实现LRU缓存功能那就需要额外增加很多代码才能实现。如果想要按照插入顺序遍历HashMap同样需要额外的代码编写才能实现。本文重点讨论LinkedHashMap原理及其应用场景。

由于LinkedHashMap继承自HashMap，很多方法直接调用HashMap类中，因此阅读本前最好了解HashMap内部基本原理可以参考之前HashMap源码分析相关文章。

HashMap构造方法与内存空间分配

HashMap扩容之二进制方法妙用

LRU 介绍

LRU是Least Recently Used的缩写，即最近最少使用，是一种常用的页面置换算法，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。该算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间 t，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其 t 值最大的，即最近最少使用的页面予以淘汰。

在应用开发中使用缓存时同样用LRU来淘汰最久未被使用的缓存。实现LRU缓存时还要保留Map的特性 那么LinkedHashMap绝对是不错的选择。如果还需要定时清除过期缓存那么可以考虑Google提供的guava工具包里面包含了很多缓存功能的数据结构

LinkedHashMap 类分析

通过类图可以看到LinkedHashMap继承HashMap类实现Map接口。意味着LinkedHashMap对HashMap做了进一步的增强。

最主要变化为哈希节点的变化，LinkedHashMap的Node节点增加了两个指针分别指向前驱节点与后继节点，同时声明了双向链表的头节点与尾节点。 

static class Entry extends HashMap.Node {
    Entry before, after;
    Entry(int hash, K key, V value, Node next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

transient LinkedHashMap.Entry head;

transient LinkedHashMap.Entry tail;

LinkedHashMap中还有一个很重要变量为accessOrder，该变量控制插入元素后整个链表地排序方式。

• true   表示按照访问顺序排列
• false 表示按照插入顺序排列

head 与tail指针指向可以随意调整来满足使用是遍历顺序。

重要方法分析 

LinkedHashMap构造方中无一例外都调用了父类HashMap中的构造方法，并设置accessOrder值，只有最后一个构造函数可以设置accessOrder其余都为默认值。

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
     super(initialCapacity, loadFactor);
     accessOrder = false;
}
public LinkedHashMap(int initialCapacity) {
     super(initialCapacity);
     accessOrder = false;
}
public LinkedHashMap() {
     super();
     accessOrder = false;
}

public LinkedHashMap(Map m) {
     super();
     accessOrder = false;
     putMapEntries(m, false);
}

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

此时跟HashMap其实没有区别，真正区别在插入数据与访问数据时会操作链表，在HashMap中专门提供了三个回调方法供LinkedHashMap使用。

LinkedHashMap直接使用HashMap的put方法插入元素但override了get方法。通过调用HashMap的put方法然后进行回到 afterNodeAccess与afterNodeInsertion方法。在HashMap中这些回调方法默认都是空方法因此HashMap本身没有任何逻辑执行

public static void main (String []args){
    LinkedHashMap map = new LinkedHashMap();
    map.put("1",2);
}

下图为HashMap中putVal方法中回调执行逻辑。真正的逻辑交由子类实现。也可以自定义Map来扩展这些方法实现更多功能。

由于LinkedHashMap Node 类中加入了链表指针，因此LinkedHashMap override了HashMap中创建Node方法。

• newNode 创建拉链类Node，并设置节点指针指向
• replacementNode 替换节点 调整指针指向
• newTreeNode 创建树形节点，设置指针指向
• replacementTreeNode 替换树节点调整指针指向

 在HashMap 中 newNode存在默认实现，因此调用LinkedHashMap时由于子类覆写了该方法默认实现被覆盖。通过多态实现扩展性 

 LinkedHashMap中newNode方法增加了处理链表指向的方法linkNodeLast，该方法把节点放到双向链表的末尾。

由于HashMap中插入元素是无序存放的，但通过链表可以很容易记录插入顺序因此LinkedHashMap可以按照插入顺序遍历整个Map

private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry p) {
     LinkedHashMap.Entry last = tail;
     tail = p;
     if (last == null)
         head = p;
     else {
         p.before = last;
         last.after = p;
     }
}

HashMap 插入数据后回调 afterNodeAccess方法。该方法可以调整链表中节点顺序为访问顺序

 LinkedHashMap 调用get方法查询元素后同样会调用该方法调整元素顺序。

public V get(Object key) {
    Node e;
    if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
        return null;
    if (accessOrder)
        afterNodeAccess(e);
    return e.value;
}

afterNodeAccess方法通过调整指定节点指针将该节点调整至头结点，这符合LRU算法最近被访问到的一定是热数据其顺序应该在前面，尾节点数据代表最近最久未被使用的数据应该被剔除。

void afterNodeAccess(Node e) { // move node to last
     LinkedHashMap.Entry last;
     if (accessOrder && (last = tail) != e) {
         LinkedHashMap.Entry p =(LinkedHashMap.Entry)e, b = p.before, a = p.after;
         p.after = null;
         if (b == null)
             head = a;
         else
             b.after = a;
         if (a != null)
             a.before = b;
         else
             last = b;
         if (last == null)
            head = p;
         else {
            p.before = last;
            last.after = p;
         }
         tail = p;
         ++modCount;
     }
}

总结

LinkedHashMap作为HashMap的扩展提供了很多优秀的特性，其底层数据结构设计值得学习。在特殊的业务逻辑中LinkedHashMap是不错的选择