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LRU 结构 LinkedHashMap：HashMap+双向链表的完美结合

news 来源：原创 2025/6/13 11:19:26

LinkedHashMap = HashMap + 双向链表，在HashMap的基础上增加了插入/访问顺序的维护能力。

核心结构组件

1. Entry节点设计

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {Entry<K,V> before, after;  // 双向链表指针Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {super(hash, key, value, next);}
}

设计亮点：

继承HashMap.Node，保持哈希表功能
添加before/after指针维护插入顺序
一个节点同时参与两种数据结构：哈希表的链表/红黑树 + 全局双向链表

2. 链表头尾指针

transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;  // 最老的节点
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;  // 最新的节点

三种排序模式机制

1. 插入顺序模式（默认）

final boolean accessOrder = false;  // 插入顺序

2. 访问顺序模式

final boolean accessOrder = true;   // LRU语义

3. 动态定位模式（Java 21新特性）

static final int PUT_NORM = 0;   // 正常模式
static final int PUT_FIRST = 1;  // 插入到头部
static final int PUT_LAST = 2;   // 插入到尾部
transient int putMode = PUT_NORM;

深入分析有意思的设计点

1. 优雅的Hook机制

LinkedHashMap通过重写HashMap的钩子方法实现功能扩展：

// 节点插入后的回调
void afterNodeInsertion(boolean evict) {LinkedHashMap.Entry<K,V> first;if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {K key = first.key;removeNode(hash(key), key, null, false, true);  // 自动淘汰}
}// 节点访问后的回调
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) {// 在访问顺序模式下，将访问的节点移动到链表尾部if (accessOrder && (last = tail) != e) {// 复杂的链表重新链接逻辑}
}

设计精髓：通过Template Method模式，在不修改HashMap核心逻辑的前提下，优雅地扩展了功能。

2. 高效的链表操作

节点链接操作

private void linkNodeAtEnd(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {if (putMode == PUT_FIRST) {// 插入到头部LinkedHashMap.Entry<K,V> first = head;head = p;if (first == null) tail = p;else {p.after = first;first.before = p;}} else {// 插入到尾部LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;tail = p;if (last == null) head = p;else {p.before = last;last.after = p;}}
}

亮点：

统一的链接逻辑处理头部/尾部插入
边界条件处理完善（空链表情况）
O(1)时间复杂度

3. LRU缓存的天然支持

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {return false;  // 默认不删除，子类可重写实现LRU
}

使用示例：

LinkedHashMap<String, String> lruCache = new LinkedHashMap<String, String>(16, 0.75f, true) {protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<String, String> eldest) {return size() > MAX_ENTRIES;  // 超过阈值就删除最老的}
};

4. SequencedMap接口的实现（Java 21）

LinkedHashMap实现了新的SequencedMap接口，提供了：

public V putFirst(K k, V v) {try {putMode = PUT_FIRST;return this.put(k, v);} finally {putMode = PUT_NORM;  // 确保模式重置}
}public SequencedMap<K, V> reversed() {return new ReversedLinkedHashMapView<>(this);
}

设计巧思：

通过临时设置putMode实现定位插入
使用try-finally确保状态恢复
反向视图通过包装器模式实现，避免数据复制

5. 迭代器的优化设计

abstract class LinkedHashIterator {LinkedHashMap.Entry<K,V> next;boolean reversed;LinkedHashIterator(boolean reversed) {this.reversed = reversed;next = reversed ? tail : head;  // 根据方向选择起点}final LinkedHashMap.Entry<K,V> nextNode() {// ...next = reversed ? e.before : e.after;  // 根据方向移动return e;}
}

性能优势：