LinkedHashSet 底层原理

以下是 LinkedHashSet 的底层原理的详细解析，结合其数据结构、顺序维护机制及性能特点：

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一、底层实现：继承关系与数据结构

LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，但其底层通过 LinkedHashMap 实现（而非普通 HashMap），从而在哈希表的基础上增加了 双向链表 结构来维护插入顺序。

核心继承关系：

public class LinkedHashSet<E> extends HashSet<E>

数据结构示意图：

LinkedHashSet 实例
└── 内部 LinkedHashMap
    ├── 数组（哈希表）
    │   ├── 桶0 → Node(key=A, value=PRESENT) → Node(key=B, ...)
    │   └── ... 
    └── 双向链表
        ├── head → A → B → C → tail
        └── 维护插入顺序的链表关系

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二、顺序维护机制

1. 双向链表结构

• 节点定义：LinkedHashMap 的 Entry 类继承自 HashMap 的 Node，并额外添加 before 和 after 引用，形成双向链表。

static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after; // 双向链表的前后节点指针
}

2. 插入与删除时的链表维护

• 添加元素：
• 元素通过哈希函数定位到哈希表的桶。
• 若元素不重复，同时将其追加到双向链表尾部（维护插入顺序）。
• 删除元素：
• 从哈希表中移除节点，并调整双向链表的前后指针以保持链表连续性。

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三、构造方法与初始化

LinkedHashSet 通过 特殊的构造方法 初始化底层 LinkedHashMap：

// LinkedHashSet 构造方法示例
public LinkedHashSet() {
    super(16, 0.75f, true); // 调用父类 HashSet 的构造方法
}

// HashSet 中的实现
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor); // 关键点：创建 LinkedHashMap 实例
}

• 参数说明：
• initialCapacity：默认 16，可指定初始容量以减少扩容次数。
• loadFactor：默认 0.75，控制扩容阈值（元素数 ≥ 容量 × 负载因子时扩容）。

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四、性能特点

特性	说明
查询性能	接近 O(1)（哈希表快速定位）
插入/删除性能	略低于 HashSet（需维护双向链表）
内存开销	比 HashSet 多约 20%（存储双向链表的 before/after 引用）
迭代顺序	按元素插入顺序遍历（与插入顺序一致）

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五、线程安全与使用建议

1. 非线程安全

• 问题：多线程并发修改可能导致链表断裂或 ConcurrentModificationException。
• 解决方案：

Set<E> safeSet = Collections.synchronizedSet(new LinkedHashSet<>());

2. 使用建议

• 适用场景：
• 需要保留元素插入顺序的去重操作（如记录用户操作日志的顺序）。
• 替代 LinkedList 实现快速查找（避免遍历 O(n) 的时间消耗）。
• 避坑指南：
• 自定义对象：必须正确重写 hashCode() 和 equals()，否则无法保证唯一性。
• 遍历时修改：禁止在迭代过程中直接修改集合（需使用迭代器的 remove() 方法）。

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六、与 HashSet、TreeSet 的对比

特性	LinkedHashSet	HashSet	TreeSet
底层结构	哈希表 + 双向链表	哈希表 + 链表/红黑树	红黑树
顺序性	插入顺序	无序	自然排序或自定义排序
查询性能	O(1)	O(1)	O(log n)
插入/删除性能	略低（维护链表）	高（无链表维护）	低（需平衡树）
内存占用	较高（存储链表指针）	较低	中等（树结构）

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七、源码关键逻辑分析

1. 添加元素流程

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT) == null; // 调用 LinkedHashMap 的 put 方法
}

// LinkedHashMap 的 put 方法内部：
void afterNodeInsertion(boolean evict) {
    // 维护双向链表，将新节点追加到尾部
}

2. 迭代器实现

public Iterator<E> iterator() {
    return new LinkedKeyIterator(); // 基于双向链表的顺序迭代
}

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总结

LinkedHashSet 通过 哈希表 + 双向链表 的复合结构，在保留 HashSet 高效去重能力的同时，实现了插入顺序的维护。其核心优势在于：

1. 顺序性：适合需要记录操作历史的场景。
2. 高效性：查询性能接近哈希表，优于普通链表。
3. 灵活性：可通过覆盖 removeEldestEntry() 实现 LRU 缓存淘汰策略（需结合 LinkedHashMap）。