【Java集合框架与缓存技术】：深入理解LinkedHashMap与LRU缓存实现

# 1. Java集合框架概述

Java集合框架（Java Collections Framework）为程序员提供了一套性能优化且经过精心设计的接口和类，用于操作和管理对象集合。它位于java.util包内，提供了丰富的数据结构，比如列表（List）、集合（Set）、映射（Map）等，每种数据结构都有多种实现可供选择，以满足不同场景的需求。

集合框架不仅提升了代码的复用性，还通过接口实现的分离保证了灵活性和可扩展性。每个接口都有一组标准的方法，而具体的实现类则提供了这些方法的具体行为。例如，List接口保证了元素的有序性和可重复性，其具体的实现如ArrayList和LinkedList分别采用了动态数组和链表的数据结构，从而提供了不同的性能特点。

随着Java版本的更新，集合框架也在不断地丰富和完善，为开发者提供了更多的工具，以应对日益复杂的编程需求。集合框架的深入理解对于任何一名从事Java开发的程序员而言都是不可或缺的基本功。

# 2. LinkedHashMap的内部实现

## 2.1 LinkedHashMap的数据结构

### 2.1.1 哈希表与双向链表的结合

`LinkedHashMap` 是 `HashMap` 的子类，它通过维护一个双向链表来保存所有映射的顺序，即可以保持插入顺序，也可以根据访问顺序排序。了解其数据结构对我们理解其内部实现至关重要。

内部维护了两个结构：哈希表和双向链表。哈希表用于快速定位数据，而双向链表用于保持元素的插入或访问顺序。

public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>

- 哈希表：用于存储键值对，底层数据结构是数组+链表结构（JDK8以前是数组+链表+红黑树），用于快速定位到特定的键值对。
- 双向链表：维护了元素的插入顺序或者访问顺序。每个节点都是一个 `LinkedHashMap.Entry` 对象，包括以下属性：
- `key`：键。
- `value`：值。
- `before`：指向前一个节点的引用。
- `after`：指向后一个节点的引用。

### 2.1.2 插入和访问元素的内部机制

`LinkedHashMap` 在插入元素和访问元素时都进行了特别的处理，以保持链表结构中的顺序。

在插入操作时，与 `HashMap` 类似，键值对会首先通过哈希计算被定位到数组的某个位置。不同的是，在 `LinkedHashMap` 中，当键值对被插入时，会被添加到双向链表的末尾。这保证了新插入的元素总是在链表的尾部。

public V put(K key, V value) {
    // 调用HashMap的put方法
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

void linkNodeLast(HashMap.Node<K,V> p) {
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
    tail = p;
    // 将上一个尾节点的after指向新的尾节点
    if (last == null)
        head = p;
    else {
        p.before = last;
        last.after = p;
    }
}

访问元素时，比如 `get()` 方法，首先会在哈希表中找到键对应的节点，如果存在，会将该节点移动到双向链表的尾部，这样做是因为 `LinkedHashMap` 可以根据访问顺序排序。

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
        return null;
    // 访问后将节点移到链表尾部
    afterNodeAccess(e);
    return e.value;
}

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)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;
    }
}

## 2.2 LinkedHashMap的特点与应用

### 2.2.1 保持插入顺序的特性

`LinkedHashMap` 最显著的特点是它能够保持元素的插入顺序，这对于某些应用场景来说非常有用。

- 保持插入顺序的示例代码：

LinkedHashMap<Integer, String> linkedMap = new LinkedHashMap<>();
linkedMap.put(1, "One");
linkedMap.put(2, "Two");
linkedMap.put(3, "Three");

for (Map.Entry<Integer, String> entry : linkedMap.entrySet()) {
    System.out.println("Key: " + entry.getKey() + " Value: " + entry.getValue());
}

- 输出将会是：

Key: 1 Value: One
Key: 2 Value: Two
Key: 3 Value: Three

### 2.2.2 使用场景分析

在实际开发中，`LinkedHashMap` 常用于缓存实现，特别是当你需要缓存数据的顺序时。例如，保持最近使用的数据在最前面，以便快速访问，这在构建LRU缓存时非常有用。

- 缓存的使用场景示例：

LinkedHashMap<Integer, String> lruCache = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true) {
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Integer, String> eldest) {
        // 如果元素数量超过限制，删除最老的元素