Java和Android的LRU缓存及实现原理
- 黄舟原创
- 2017-02-20 10:29:001586浏览
一、概述
Android提供了LRUCache类，可以方便的使用它来实现LRU算法的缓存。Java提供了LinkedHashMap，可以用该类很方便的实现LRU算法，Java的LRULinkedHashMap就是直接继承了LinkedHashMap，进行了极少的改动后就可以实现LRU算法。
二、Java的LRU算法
Java的LRU算法的基础是LinkedHashMap，LinkedHashMap继承了HashMap，并且在HashMap的基础上进行了一定的改动，以实现LRU算法。
1、HashMap
首先需要说明的是，HashMap将每一个节点信息存储在Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910结构中。Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910中存储了节点对应的key、value、hash信息，同时存储了当前节点的下一个节点的引用。因此Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910是一个单向链表。HashMap的存储结构是一个数组加单向链表的形式。每一个key对应的hashCode，在HashMap的数组中都可以找到一个位置；而如果多个key对应了相同的hashCode，那么他们在数组中对应在相同的位置上，这时，HashMap将把对应的信息放到Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910中，并使用链表连接这些Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910。
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}下面贴一下HashMap的put方法的代码，并进行分析
public V put(K key, V value) {
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//以上信息不关心，下面是正常的插入逻辑。
//首先计算hashCode
int hash = hash(key);
//通过计算得到的hashCode，计算出hashCode在数组中的位置
int i = indexFor(hash, table.length);
//for循环，找到在HashMap中是否存在一个节点，对应的key与传入的key完全一致。如果存在，说明用户想要替换该key对应的value值，因此直接替换value即可返回。
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
//逻辑执行到此处，说明HashMap中不存在完全一致的kye.调用addEntry，新建一个节点保存key、value信息，并增加到HashMap中
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}在上面的代码中增加了一些注释，可以对整体有一个了解。下面具体对一些值得分析的点进行说明。
<1> int i = indexFor(hash, table.length);
可以看一下源码：
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}为什么获得的hashCode(h)要和(length-1)进行按位与运算？这是为了保证去除掉h的高位信息。如果数组大小为8（1000），而计算出的h的值为10（1010），如果直接获取数组的index为10的数据，肯定会抛出数组超出界限异常。所以使用按位与（0111&1010），成功清除掉高位信息，得到2（0010），表示对应数组中index为2的数据。效果与取余相同，但是位运算的效率明显更高。
但是这样有一个问题，如果length为9，获取得length-1信息为8（1000），这样进行位运算，不但不能清除高位数据，得到的结果肯定不对。所以数组的大小一定有什么特别的地方。通过查看源码，可以发现，HashMap无时无刻不在保证对应的数组个数为2的n次方。
首先在put的时候，调用inflateTable方法。重点在于roundUpToPowerOf2方法，虽然它的内容包含大量的位相关的运算和处理，没有看的很明白，但是注释已经明确了，会保证数组的个数为2的n次方。
private void inflateTable(int toSize) {
// Find a power of 2 >= toSize
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}其次，在addEntry等其他位置，也会使用（2 * table.length）、table.length << 1等方式，保证数组的个数为2的n次方。
<2> for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next)
因为HashMap使用的是数组加链表的形式，所以通过hashCode获取到在数组中的位置后，得到的不是一个Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910，而是一个Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910的链表，一定要循环链表，获取key对应的value。
<3> addEntry(hash, key, value, i);
先判断数组个数是否超出阈值，如果超过，需要增加数组个数。然后会新建一个Entry，并加到数组中。
/**
* Adds a new entry with the specified key, value and hash code to
* the specified bucket. It is the responsibility of this
* method to resize the table if appropriate.
*
* Subclass overrides this to alter the behavior of put method.
*/
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
/**
* Like addEntry except that this version is used when creating entries
* as part of Map construction or "pseudo-construction" (cloning,
* deserialization). This version needn't worry about resizing the table.
*
* Subclass overrides this to alter the behavior of HashMap(Map),
* clone, and readObject.
*/
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}2、LinkedHashMap
LinkedHashMap在HashMap的基础上，进行了修改。首先将Entry由单向链表改成双向链表。增加了before和after两个队Entry的引用。
private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
// These fields comprise the doubly linked list used for iteration.
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key, V value, HashMap.Entry<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
/**
* Removes this entry from the linked list.
*/
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}
/**
* Inserts this entry before the specified existing entry in the list.
*/
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}
/**
* This method is invoked by the superclass whenever the value
* of a pre-existing entry is read by Map.get or modified by Map.set.
* If the enclosing Map is access-ordered, it moves the entry
* to the end of the list; otherwise, it does nothing.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
remove();
addBefore(lm.header);
}
}
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
remove();
}
}同时，LinkedHashMap提供了一个对Entry的引用header（private transient Entryb77a8d9c3c319e50d4b02a976b347910 header）。header的作用就是永远只是HashMap中所有成员的头（header.after）和尾(header.before)。这样把HashMap本身的数组加链表的格式进行了修改。在LinkedHashMap中，即保留了HashMap的数组加链表的数据保存格式，同时增加了一套header作为开始标记的双向链表（我们暂且称之为header的双向链表）。LinkedHashMap就是通过header的双向链表来实现LRU算法的。header.after永远指向最近最不常使用的那个节点，删除的话，就是删除这个header.after对应的节点。相对的，header.before指向的就是刚刚使用过的那个节点。
LinkedHashMap并没有提供put方法，但是LinkedHashMap重写了addEntry和createEntry方法，如下：
/**
* This override alters behavior of superclass put method. It causes newly
* allocated entry to get inserted at the end of the linked list and
* removes the eldest entry if appropriate.
*/
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
super.addEntry(hash, key, value, bucketIndex);
// Remove eldest entry if instructed
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
}
}
/**
* This override differs from addEntry in that it doesn't resize the
* table or remove the eldest entry.
*/
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
e.addBefore(header);
size++;
}HashMap的put方法，调用了addEntry方法；HashMap的addEntry方法又调用了createEntry方法。因此可以把上面的两个方法和HashMap中的内容放到一起，方便分析，形成如下方法：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
e.addBefore(header);
size++;
// Remove eldest entry if instructed
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
}
}同样，先判断是否超出阈值，超出则增加数组的个数。然后创建Entry对象，并加入到HashMap对应的数组和链表中。与HashMap不同的是LinkedHashMap增加了e.addBefore(header);和removeEntryForKey(eldest.key);这样两个操作。
首先分析一下e.addBefore(header)。其中e是LinkedHashMap.Entry对象，addBefore代码如下，作用就是讲header与当前对象相关联，使当前对象增加到header的双向链表的尾部
（header.before）：
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}其次是另一个重点，代码如下：
// Remove eldest entry if instructed
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
}其中，removeEldestEntry判断是否需要删除最近最不常使用的那个节点。LinkedHashMap中的removeEldestEntry(eldest)方法永远返回false，如果我们要实现LRU算法，就需要重写这个方法，判断在什么情况下，删除最近最不常使用的节点。removeEntryForKey的作用就是将key对应的节点在HashMap的数组加链表结构中删除，源码如下：
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}removeEntryForKey是HashMap的方法，对LinkedHashMap中header的双向链表无能为力，而LinkedHashMap又没有重写这个方法，那header的双向链表要如何处理呢。
仔细看一下代码，可以看到在成功删除了HashMap中的节点后，调用了e.recordRemoval(this);方法。这个方法在HashMap中为空，LinkedHashMap的Entry则实现了这个方法。其中remove()方法中的两行代码为双向链表中删除当前节点的标准代码，不解释。
/**
* Removes this entry from the linked list.
*/
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
remove();
}以上，LinkedHashMap增加节点的代码分析完毕，可以看到完美的将新增的节点放在了header双向链表的末尾。
但是，这样显然是先进先出的算法，而不是最近最不常使用算法。需要在get的时候，更新header双向链表，把刚刚get的节点放到header双向链表的末尾。我们来看看get的源码：
public V get(Object key) {
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
if (e == null)
return null;
e.recordAccess(this);
return e.value;
}代码很短，第一行的getEntry调用的是HashMap的getEntry方法，不需要解释。真正处理header双向链表的代码是e.recordAccess(this)。看一下代码：
/**
* Removes this entry from the linked list.
*/
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}
/**
* Inserts this entry before the specified existing entry in the list.
*/
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}
/**
* This method is invoked by the superclass whenever the value
* of a pre-existing entry is read by Map.get or modified by Map.set.
* If the enclosing Map is access-ordered, it moves the entry
* to the end of the list; otherwise, it does nothing.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
remove();
addBefore(lm.header);
}
}首先在header双向链表中删除当前节点，再将当前节点添加到header双向链表的末尾。当然，在调用LinkedHashMap的时候，需要将accessOrder设置为true，否则就是FIFO算法。
三、Android的LRU算法
Android同样提供了HashMap和LinkedHashMap，而且总体思路有些类似，但是实现的细节明显不同。而且Android提供的LruCache虽然使用了LinkedHashMap，但是实现的思路并不一样。Java需要重写removeEldestEntry来判断是否删除节点；而Android需要重写LruCache的sizeOf，返回当前节点的大小，Android会根据这个大小判断是否超出了限制，进行调用trimToSize方法清除多余的节点。
Android的sizeOf方法默认返回1，默认的方式是判断HashMap中的数据个数是否超出了设置的阈值。也可以重写sizeOf方法，返回当前节点的大小。Android的safeSizeOf会调用sizeOf方法，其他判断阈值的方法会调用safeSizeOf方法，进行加减操作并判断阈值。进而判断是否需要清除节点。
Java的removeEldestEntry方法，也可以达到同样的效果。Java需要使用者自己提供整个判断的过程，两者思路还是有些区别的。
sizeOf，safeSizeOf不需要说明，而put和get方法，虽然和Java的实现方式不完全一样，但是思路是相同的，也不需要分析。在LruCache中put方法的最后，会调用trimToSize方法，这个方法用于清除超出的节点。它的代码如下：
public void trimToSize(int maxSize)
{
while (true)
{
Object key;
Object value;
synchronized (this) {
if ((this.size < 0) || ((this.map.isEmpty()) && (this.size != 0))) {
throw new IllegalStateException(getClass().getName() + ".sizeOf() is reporting inconsistent results!");
}
if (size <= maxSize) {
break;
}
Map.Entry toEvict = (Map.Entry)this.map.entrySet().iterator().next();
key = toEvict.getKey();
value = toEvict.getValue();
this.map.remove(key);
this.size -= safeSizeOf(key, value);
this.evictionCount += 1;
}
entryRemoved(true, key, value, null);
}
}重点需要说明的是Map.Entry toEvict = (Map.Entry)this.map.entrySet().iterator().next();这行代码。它前面的代码判断是否需要删除最近最不常使用的节点，后面的代码用于删除具体的节点。这行代码用于获取最近最不常使用的节点。
首先需要说明的问题是，Android的LinkedHashMap和Java的LinkedHashMap在思路上一样，也是使用header保存双向链表。在put和get的时候，会更新对应的节点，保存header.after指向最久没有使用的节点；header.before用于指向刚刚使用过的节点。所以Map.Entry toEvict = (Map.Entry)this.map.entrySet().iterator().next();这行最终肯定是获取header.after节点。下面逐步分析代码，就可以看到是如何实现的了。
首先，map.entrySet()，HashMap定义了这个方法，LinkedHashMap没有重写这个方法。因此调用的是HashMap对应的方法：
public Set<Entry<K, V>> entrySet() {
Set<Entry<K, V>> es = entrySet;
return (es != null) ? es : (entrySet = new EntrySet());
}上面代码不需要细说，new一个EntrySet类的实例。而EntrySet也是在HashMap中定义，LinkedHashMap中没有。
private final class EntrySet extends AbstractSet<Entry<K, V>> {
public Iterator<Entry<K, V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
public boolean contains(Object o) {
if (!(o instanceof Entry))
return false;
Entry<?, ?> e = (Entry<?, ?>) o;
return containsMapping(e.getKey(), e.getValue());
}
public boolean remove(Object o) {
if (!(o instanceof Entry))
return false;
Entry<?, ?> e = (Entry<?, ?>)o;
return removeMapping(e.getKey(), e.getValue());
}
public int size() {
return size;
}
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
} Iterator9b2a63934c68105d154136c231fa3653> newEntryIterator() { return new EntryIterator(); }
代码中很明显的可以看出，Map.Entry toEvict = (Map.Entry)this.map.entrySet().iterator().next()，就是要调用newEntryIterator().next()，就是调用(new EntryIterator()).next()。而EntryIterator类在LinkedHashMap中是有定义的。
private final class EntryIterator
extends LinkedHashIterator<Map.Entry<K, V>> {
public final Map.Entry<K, V> next() { return nextEntry(); }
}
private abstract class LinkedHashIterator<T> implements Iterator<T> {
LinkedEntry<K, V> next = header.nxt;
LinkedEntry<K, V> lastReturned = null;
int expectedModCount = modCount;
public final boolean hasNext() {
return next != header;
}
final LinkedEntry<K, V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
LinkedEntry<K, V> e = next;
if (e == header)
throw new NoSuchElementException();
next = e.nxt;
return lastReturned = e;
}
public final void remove() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
LinkedHashMap.this.remove(lastReturned.key);
lastReturned = null;
expectedModCount = modCount;
}
}现在可以得到结论，trimToSize中的那行代码得到的就是header.next对应的节点，也就是最近最不常使用的那个节点。
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