基于LinkedHashMap实现LRU缓存调度算法原理及应用

用户7353950

发布于 2022-05-11 10:36:45

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发布于 2022-05-11 10:36:45

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在Android中实用LRU+软引用（弱引用）的方法来缓存图片，可以减少内存溢出的情况。

实现思路：

在把图片保存到LRU集合中的时候，同时保存在一个弱引用的集合之中，如果此元素被LRU算法删除，可能垃圾回收器还并没有回收，可以通过弱引用的集合获取到此引用。

public LinkedHashMap (int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)；

initialCapacity 初始容量

loadFactor 加载因子，一般是 0.75f

accessOrder false 基于插入顺序 true 基于访问顺序（get一个元素后，这个元素被加到最后，使用了LRU 最近最少被使用的调度算法）

当有新元素加入Map的时候会调用Entry的addEntry方法，会调用removeEldestEntry方法，这里就是实现LRU元素过期机制的地方，默认的情况下removeEldestEntry方法只返回false表示元素永远不过期。

如 boolean accessOrder = true； 
      Map<String, String> m = new LinkedHashMap<String, String>(20, .80f,  accessOrder  );
      m.put("1", "my"));
      m.put("2", "map"));
      m.put("3", "test"));
      m.get("1");
      m.get("2");
      Log.d("tag",  m);
     若 accessOrder == true;  输出 {3=test, 1=my, 2=map}
         accessOrder == false;  输出 {1=my, 2=map，3=test}

LinkedHashMap已经为我们自己实现LRU算法提供了便利。 LinkedHashMap继承了HashMap底层是通过Hash表+单向链表实现Hash算法，内部自己维护了一套元素访问顺序的列表。

Java代码

/** 
  * The head of the doubly linked list. 
  */ 
 private transient Entry<K,V> header;  
 .....  
/** 
  * LinkedHashMap entry. 
  */ 
 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;

HashMap构造函数中回调了子类的init方法实现对元素初始化

Java代码

void init() {  
    header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);  
    header.before = header.after = header;  
}  


LinkedHashMap中有一个属性可以执行列表元素的排序算法

Java代码

/** 
  * The iteration ordering method for this linked hash map: <tt>true</tt> 
  * for access-order, <tt>false</tt> for insertion-order. 
  * 
  * @serial 
  */ 
 private final boolean accessOrder;

注释已经写的很明白，accessOrder为true使用访问顺序排序，false使用插入顺序排序那么在哪里可以设置这个值。

Java代码

/** 
  * Constructs an empty <tt>LinkedHashMap</tt> instance with the 
  * specified initial capacity, load factor and ordering mode. 
  * 
  * @param  initialCapacity the initial capacity. 
  * @param  loadFactor      the load factor. 
  * @param  accessOrder     the ordering mode - <tt>true</tt> for 
  *         access-order, <tt>false</tt> for insertion-order. 
  * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative 
  *         or the load factor is nonpositive. 
  */ 
 public LinkedHashMap(int initialCapacity,  
 float loadFactor,  
 boolean accessOrder) {  
 super(initialCapacity, loadFactor);  
 this.accessOrder = accessOrder;  
 }

那么我们就行有访问顺序排序方式实现LRU,那么哪里LinkedHashMap是如何实现LRU的呢？

Java代码

 //LinkedHashMap方法 
 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;  
   }  
 //HashMap方法 
 public V put(K key, V value) {  
if (key == null)  
 return putForNullKey(value);  
 int hash = hash(key.hashCode());  
 int i = indexFor(hash, table.length);  
 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;  
           }  
       }  
 
       modCount++;  
       addEntry(hash, key, value, i);  
 return null;  
   }

当调用get或者put方法的时候，如果K-V已经存在，会回调Entry.recordAccess()方法我们再看一下LinkedHashMap的Entry实现

Java代码

/** 
  * 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);  
     }  
 }  
 
 /** 
  * Remove this entry from the linked list. 
  */ 
 private void remove() {  
     before.after = after;  
     after.before = before;  
 }  
 
 /**                                              
  * Insert 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;  
 }

recordAccess方法会accessOrder为true会先调用remove清楚的当前首尾元素的指向关系，之后调用addBefore方法，将当前元素加入header之前。当有新元素加入Map的时候会调用Entry的addEntry方法，会调用removeEldestEntry方法，这里就是实现LRU元素过期机制的地方，默认的情况下removeEldestEntry方法只返回false表示元素永远不过期。

Java代码

 /** 
    * 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) {  
       createEntry(hash, key, value, bucketIndex);  
 
 // Remove eldest entry if instructed, else grow capacity if appropriate 
       Entry<K,V> eldest = header.after;  
 if (removeEldestEntry(eldest)) {  
           removeEntryForKey(eldest.key);  
       } else {  
 if (size >= threshold)   
               resize(2 * table.length);  
       }  
   }  
 
 /** 
    * 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<K,V>(hash, key, value, old);  
       table[bucketIndex] = e;  
       e.addBefore(header);  
       size++;  
   }  
 
 protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {  
 return false;  
   }

基本的原理已经介绍完了，那基于LinkedHashMap我们看一下是该如何实现呢？

Java代码

public static class LRULinkedHashMap<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {  
 
 /** serialVersionUID */ 
 private static final long serialVersionUID = -5933045562735378538L;  
 
 /** 最大数据存储容量 */ 
 private static final int  LRU_MAX_CAPACITY     = 1024;  
 
 /** 存储数据容量  */ 
 private int               capacity;  
 
 /** 
         * 默认构造方法 
         */ 
 public LRULinkedHashMap() {  
 super();  
        }  
 
 /** 
         * 带参数构造方法 
         * @param initialCapacity   容量 
         * @param loadFactor        装载因子 
         * @param isLRU             是否使用lru算法，true：使用（按方案顺序排序）;false：不使用（按存储顺序排序） 
         */ 
 public LRULinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean isLRU) {  
 super(initialCapacity, loadFactor, true);  
            capacity = LRU_MAX_CAPACITY;  
        }  
 
 /** 
         * 带参数构造方法 
         * @param initialCapacity   容量 
         * @param loadFactor        装载因子 
         * @param isLRU             是否使用lru算法，true：使用（按方案顺序排序）;false：不使用（按存储顺序排序） 
         * @param lruCapacity       lru存储数据容量        
         */ 
 public LRULinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean isLRU, int lruCapacity) {  
 super(initialCapacity, loadFactor, true);  
 this.capacity = lruCapacity;  
        }  
 
 /**  
         * @see java.util.LinkedHashMap#removeEldestEntry(java.util.Map.Entry) 
         */ 
        @Override  
 protected boolean removeEldestEntry(Entry<K, V> eldest) {  
            System.out.println(eldest.getKey() + "=" + eldest.getValue());  
 
 if(size() > capacity) {  
 return true;  
            }  
 return false;  
        }  
    }

测试代码：

Java代码

public static void main(String[] args) {  
 
    LinkedHashMap<String, String> map = new LRULinkedHashMap<String, String>(16, 0.75f, true);  
    map.put("a", "a"); //a  a 
    map.put("b", "b"); //a  a b 
    map.put("c", "c"); //a  a b c 
    map.put("a", "a"); //   b c a      
    map.put("d", "d"); //b  b c a d 
    map.put("a", "a"); //   b c d a 
    map.put("b", "b"); //   c d a b      
    map.put("f", "f"); //c  c d a b f 
    map.put("g", "g"); //c  c d a b f g 
 
    map.get("d"); //c a b f g d 
 for (Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {  
        System.out.print(entry.getValue() + ", ");  
    }  
    System.out.println();  
 
    map.get("a"); //c b f g d a 
 for (Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {  
        System.out.print(entry.getValue() + ", ");  
    }  
    System.out.println();  
 
    map.get("c"); //b f g d a c 
 for (Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {  
        System.out.print(entry.getValue() + ", ");  
    }  
    System.out.println();  
 
    map.get("b"); //f g d a c b 
 for (Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {  
        System.out.print(entry.getValue() + ", ");  
    }  
    System.out.println();  
 
    map.put("h", "h"); //f  f g d a c b h 
 for (Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {  
        System.out.print(entry.getValue() + ", ");  
    }  
    System.out.println();  
}

运行结果： 
a=a 
a=a 
a=a 
b=b 
c=c 
c=c 
c, a, b, f, g, d, 
c, b, f, g, d, a, 
b, f, g, d, a, c, 
f, g, d, a, c, b, 
f=f 
f, g, d, a, c, b, h,

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原始发表：2022-04-25，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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