基于LinkedHashMap实现LRU缓存调度算法原理

来源：互联网发布：sony xperia xz1 知乎编辑：程序博客网时间：2024/05/18 03:25

引言

本文就《基于LinkedHashMap实现LRU缓存调度算法原理及应用》一文作为材料，记录一些常见问题，备忘。

延伸出两道常见的Java面试题：

插入Entry节点到table表的链表中时，Hashmap 和LinkedHashmap使用头茶法还是尾茶法？遍历map的时候，Entry.Entryset()获取的set集合,是按照从头到尾还是从尾到头的顺序存储的？
实现LRU算法最合适的数据结构？

如果读者可以打出来，不用继续看下边的资料了。初学者请继续阅读。相信你读完之后可以找到问题的答案。

LinkedHashMap基础

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;  

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;  
 }  

LRU算法

使用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  

import java.util.LinkedHashMap;public class URLLinkedListHashMap<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {/** *  */private static final long serialVersionUID = 1L;/** 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 URLLinkedListHashMap() {          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 URLLinkedListHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean isLRU) {          super(initialCapacity, loadFactor, isLRU);          capacity = LRU_MAX_CAPACITY;      }          public URLLinkedListHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean isLRU,int lruCapacity) {          super(initialCapacity, loadFactor, isLRU);          this.capacity = lruCapacity;      }         @Override    protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry<K, V> eldest) {    // TODO Auto-generated method stub    return super.removeEldestEntry(eldest);    }}

测试代码：

Java代码  

import java.util.LinkedHashMap;import java.util.Map.Entry;public class LRUTest {    public static void main(String[] args) {        LinkedHashMap<String, String> map = new URLLinkedListHashMap(16, 0.75f, false);        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();    }}

答案：

插入Entry节点到table表的链表中时，Hashmap 和LinkedHashmap使用头茶法。遍历map的时候，Entry.Entryset()获取的set集合,是按照从尾到头的顺序存储的，采用FIFO原理打印。
实现LRU算法最合适的数据结构是LinkedHashmap

部分转自： http://woming66.iteye.com/blog/1284326

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