Java和Android的LRU緩存及實(shí)現(xiàn)原理
一、概述
Android提供了LRUCache類,可以方便的使用它來實(shí)現(xiàn)LRU算法的緩存。Java提供了LinkedHashMap,可以用該類很方便的實(shí)現(xiàn)LRU算法,Java的LRULinkedHashMap就是直接繼承了LinkedHashMap,進(jìn)行了極少的改動(dòng)后就可以實(shí)現(xiàn)LRU算法。
二、Java的LRU算法
Java的LRU算法的基礎(chǔ)是LinkedHashMap,LinkedHashMap繼承了HashMap,并且在HashMap的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改動(dòng),以實(shí)現(xiàn)LRU算法。
1、HashMap
首先需要說明的是,HashMap將每一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)在Entry<K,V>結(jié)構(gòu)中。Entry<K,V>中存儲(chǔ)了節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的key、value、hash信息,同時(shí)存儲(chǔ)了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用。因此Entry<K,V>是一個(gè)單向鏈表。HashMap的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是一個(gè)數(shù)組加單向鏈表的形式。每一個(gè)key對(duì)應(yīng)的hashCode,在HashMap的數(shù)組中都可以找到一個(gè)位置;而如果多個(gè)key對(duì)應(yīng)了相同的hashCode,那么他們?cè)跀?shù)組中對(duì)應(yīng)在相同的位置上,這時(shí),HashMap將把對(duì)應(yīng)的信息放到Entry<K,V>中,并使用鏈表連接這些Entry<K,V>。
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) {
}
}
下面貼一下HashMap的put方法的代碼,并進(jìn)行分析
public V put(K key, V value) {
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//以上信息不關(guān)心,下面是正常的插入邏輯。
//首先計(jì)算hashCode
int hash = hash(key);
//通過計(jì)算得到的hashCode,計(jì)算出hashCode在數(shù)組中的位置
int i = indexFor(hash, table.length);
//for循環(huán),找到在HashMap中是否存在一個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)應(yīng)的key與傳入的key完全一致。如果存在,說明用戶想要替換該key對(duì)應(yīng)的value值,因此直接替換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;
}
}
//邏輯執(zhí)行到此處,說明HashMap中不存在完全一致的kye.調(diào)用addEntry,新建一個(gè)節(jié)點(diǎn)保存key、value信息,并增加到HashMap中
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
在上面的代碼中增加了一些注釋,可以對(duì)整體有一個(gè)了解。下面具體對(duì)一些值得分析的點(diǎn)進(jìn)行說明。
<1> int i = indexFor(hash, table.length);
可以看一下源碼:
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);
}
為什么獲得的hashCode(h)要和(length-1)進(jìn)行按位與運(yùn)算?這是為了保證去除掉h的高位信息。如果數(shù)組大小為8(1000),而計(jì)算出的h的值為10(1010),如果直接獲取數(shù)組的index為10的數(shù)據(jù),肯定會(huì)拋出數(shù)組超出界限異常。所以使用按位與(0111&1010),成功清除掉高位信息,得到2(0010),表示對(duì)應(yīng)數(shù)組中index為2的數(shù)據(jù)。效果與取余相同,但是位運(yùn)算的效率明顯更高。
但是這樣有一個(gè)問題,如果length為9,獲取得length-1信息為8(1000),這樣進(jìn)行位運(yùn)算,不但不能清除高位數(shù)據(jù),得到的結(jié)果肯定不對(duì)。所以數(shù)組的大小一定有什么特別的地方。通過查看源碼,可以發(fā)現(xiàn),HashMap無時(shí)無刻不在保證對(duì)應(yīng)的數(shù)組個(gè)數(shù)為2的n次方。
首先在put的時(shí)候,調(diào)用inflateTable方法。重點(diǎn)在于roundUpToPowerOf2方法,雖然它的內(nèi)容包含大量的位相關(guān)的運(yùn)算和處理,沒有看的很明白,但是注釋已經(jīng)明確了,會(huì)保證數(shù)組的個(gè)數(shù)為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,也會(huì)使用(2 * table.length)、table.length << 1等方式,保證數(shù)組的個(gè)數(shù)為2的n次方。
<2> for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next)
因?yàn)镠ashMap使用的是數(shù)組加鏈表的形式,所以通過hashCode獲取到在數(shù)組中的位置后,得到的不是一個(gè)Entry<K,V>,而是一個(gè)Entry<K,V>的鏈表,一定要循環(huán)鏈表,獲取key對(duì)應(yīng)的value。
<3> addEntry(hash, key, value, i);
先判斷數(shù)組個(gè)數(shù)是否超出閾值,如果超過,需要增加數(shù)組個(gè)數(shù)。然后會(huì)新建一個(gè)Entry,并加到數(shù)組中。
/**
* 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的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了修改。首先將Entry由單向鏈表改成雙向鏈表。增加了before和after兩個(gè)隊(duì)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();
}
}
同時(shí),LinkedHashMap提供了一個(gè)對(duì)Entry的引用header(private transient Entry<K,V> header)。header的作用就是永遠(yuǎn)只是HashMap中所有成員的頭(header.after)和尾(header.before)。這樣把HashMap本身的數(shù)組加鏈表的格式進(jìn)行了修改。在LinkedHashMap中,即保留了HashMap的數(shù)組加鏈表的數(shù)據(jù)保存格式,同時(shí)增加了一套header作為開始標(biāo)記的雙向鏈表(我們暫且稱之為header的雙向鏈表)。LinkedHashMap就是通過header的雙向鏈表來實(shí)現(xiàn)LRU算法的。header.after永遠(yuǎn)指向最近最不常使用的那個(gè)節(jié)點(diǎn),刪除的話,就是刪除這個(gè)header.after對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。相對(duì)的,header.before指向的就是剛剛使用過的那個(gè)節(jié)點(diǎn)。
LinkedHashMap并沒有提供put方法,但是LinkedHashMap重寫了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,調(diào)用了addEntry方法;HashMap的addEntry方法又調(diào)用了createEntry方法。因此可以把上面的兩個(gè)方法和HashMap中的內(nèi)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);
}
}
同樣,先判斷是否超出閾值,超出則增加數(shù)組的個(gè)數(shù)。然后創(chuàng)建Entry對(duì)象,并加入到HashMap對(duì)應(yīng)的數(shù)組和鏈表中。與HashMap不同的是LinkedHashMap增加了e.addBefore(header);和removeEntryForKey(eldest.key);這樣兩個(gè)操作。
首先分析一下e.addBefore(header)。其中e是LinkedHashMap.Entry對(duì)象,addBefore代碼如下,作用就是講header與當(dāng)前對(duì)象相關(guān)聯(lián),使當(dāng)前對(duì)象增加到header的雙向鏈表的尾部(header.before):
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}
其次是另一個(gè)重點(diǎn),代碼如下:
// Remove eldest entry if instructed
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
}
其中,removeEldestEntry判斷是否需要?jiǎng)h除最近最不常使用的那個(gè)節(jié)點(diǎn)。LinkedHashMap中的removeEldestEntry(eldest)方法永遠(yuǎn)返回false,如果我們要實(shí)現(xiàn)LRU算法,就需要重寫這個(gè)方法,判斷在什么情況下,刪除最近最不常使用的節(jié)點(diǎn)。removeEntryForKey的作用就是將key對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)在HashMap的數(shù)組加鏈表結(jié)構(gòu)中刪除,源碼如下:
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,對(duì)LinkedHashMap中header的雙向鏈表無能為力,而LinkedHashMap又沒有重寫這個(gè)方法,那header的雙向鏈表要如何處理呢。
仔細(xì)看一下代碼,可以看到在成功刪除了HashMap中的節(jié)點(diǎn)后,調(diào)用了e.recordRemoval(this);方法。這個(gè)方法在HashMap中為空,LinkedHashMap的Entry則實(shí)現(xiàn)了這個(gè)方法。其中remove()方法中的兩行代碼為雙向鏈表中刪除當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)代碼,不解釋。
/**
* 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增加節(jié)點(diǎn)的代碼分析完畢,可以看到完美的將新增的節(jié)點(diǎn)放在了header雙向鏈表的末尾。
但是,這樣顯然是先進(jìn)先出的算法,而不是最近最不常使用算法。需要在get的時(shí)候,更新header雙向鏈表,把剛剛get的節(jié)點(diǎn)放到header雙向鏈表的末尾。我們來看看get的源碼:
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;
}
代碼很短,第一行的getEntry調(diào)用的是HashMap的getEntry方法,不需要解釋。真正處理header雙向鏈表的代碼是e.recordAccess(this)??匆幌麓a:
/**
* 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雙向鏈表中刪除當(dāng)前節(jié)點(diǎn),再將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)添加到header雙向鏈表的末尾。當(dāng)然,在調(diào)用LinkedHashMap的時(shí)候,需要將accessOrder設(shè)置為true,否則就是FIFO算法。
三、Android的LRU算法
Android同樣提供了HashMap和LinkedHashMap,而且總體思路有些類似,但是實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)明顯不同。而且Android提供的LruCache雖然使用了LinkedHashMap,但是實(shí)現(xiàn)的思路并不一樣。Java需要重寫removeEldestEntry來判斷是否刪除節(jié)點(diǎn);而Android需要重寫LruCache的sizeOf,返回當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的大小,Android會(huì)根據(jù)這個(gè)大小判斷是否超出了限制,進(jìn)行調(diào)用trimToSize方法清除多余的節(jié)點(diǎn)。
Android的sizeOf方法默認(rèn)返回1,默認(rèn)的方式是判斷HashMap中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否超出了設(shè)置的閾值。也可以重寫sizeOf方法,返回當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的大小。Android的safeSizeOf會(huì)調(diào)用sizeOf方法,其他判斷閾值的方法會(huì)調(diào)用safeSizeOf方法,進(jìn)行加減操作并判斷閾值。進(jìn)而判斷是否需要清除節(jié)點(diǎn)。
Java的removeEldestEntry方法,也可以達(dá)到同樣的效果。Java需要使用者自己提供整個(gè)判斷的過程,兩者思路還是有些區(qū)別的。
sizeOf,safeSizeOf不需要說明,而put和get方法,雖然和Java的實(shí)現(xiàn)方式不完全一樣,但是思路是相同的,也不需要分析。在LruCache中put方法的最后,會(huì)調(diào)用trimToSize方法,這個(gè)方法用于清除超出的節(jié)點(diǎn)。它的代碼如下:
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);
}
}
重點(diǎn)需要說明的是Map.Entry toEvict = (Map.Entry)this.map.entrySet().iterator().next();這行代碼。它前面的代碼判斷是否需要?jiǎng)h除最近最不常使用的節(jié)點(diǎn),后面的代碼用于刪除具體的節(jié)點(diǎn)。這行代碼用于獲取最近最不常使用的節(jié)點(diǎn)。
首先需要說明的問題是,Android的LinkedHashMap和Java的LinkedHashMap在思路上一樣,也是使用header保存雙向鏈表。在put和get的時(shí)候,會(huì)更新對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),保存header.after指向最久沒有使用的節(jié)點(diǎn);header.before用于指向剛剛使用過的節(jié)點(diǎn)。所以Map.Entry toEvict = (Map.Entry)this.map.entrySet().iterator().next();這行最終肯定是獲取header.after節(jié)點(diǎn)。下面逐步分析代碼,就可以看到是如何實(shí)現(xiàn)的了。
首先,map.entrySet(),HashMap定義了這個(gè)方法,LinkedHashMap沒有重寫這個(gè)方法。因此調(diào)用的是HashMap對(duì)應(yīng)的方法:
public Set<Entry<K, V>> entrySet() {
Set<Entry<K, V>> es = entrySet;
return (es != null) ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
上面代碼不需要細(xì)說,new一個(gè)EntrySet類的實(shí)例。而EntrySet也是在HashMap中定義,LinkedHashMap中沒有。
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();
}
}
Iterator<Entry<K, V>> newEntryIterator() { return new EntryIterator(); }
代碼中很明顯的可以看出,Map.Entry toEvict = (Map.Entry)this.map.entrySet().iterator().next(),就是要調(diào)用
newEntryIterator().next(),就是調(diào)用(new EntryIterator()).next()。而EntryIterator類在LinkedHashMap中是有定義的。
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;
}
}
現(xiàn)在可以得到結(jié)論,trimToSize中的那行代碼得到的就是header.next對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),也就是最近最不常使用的那個(gè)節(jié)點(diǎn)。
以上就是對(duì)Android Java LRU緩存的實(shí)現(xiàn)原理做的詳解,后續(xù)繼續(xù)補(bǔ)充相關(guān)資料,謝謝大家對(duì)本站的支持!
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