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LRU在 Java LRU 的LinkedHashMap 工作原理及实现

分类: 文章 • 2024-07-10 12:51:22

1. 概述

LRU 缓存介绍

LRU 是 Least Recently Used 的缩写，翻译过来就是“最近最少使用”，也就是说，LRU 缓存把最近最少使用的数据移除，让给最新读取的数据。而往往最常读取的，也是读取次数最多的，所以，利用 LRU 缓存，我们能够提高系统的性能。

实现

要实现 LRU 缓存，我们首先要用到一个类 LinkedHashMap。

用这个类有两大好处：一是它本身已经实现了按照访问顺序的存储，也就是说，最近读取的会放在最前面，最最不常读取的会放在最后（当然，它也可以实现按照插入顺序存储）。第二，LinkedHashMap 本身有一个方法用于判断是否需要移除最不常读取的数，但是，原始方法默认不需要移除（这是，LinkedHashMap 相当于一个linkedlist），所以，我们需要 override 这样一个方法，使得当缓存里存放的数据个数超过规定个数后，就把最不常用的移除掉。

在介绍的HashMap后，我们来学习LinkedHashMap的工作原理及实现。首先还是类似的，我们写一个简单的LinkedHashMap的程序：

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LinkedHashMap<String, Integer> lmap = new LinkedHashMap<String, Integer>();
lmap.put("语文", 1);
lmap.put("数学", 2);
lmap.put("英语", 3);
lmap.put("历史", 4);
lmap.put("政治", 5);
lmap.put("地理", 6);
lmap.put("生物", 7);
lmap.put("化学", 8);
for(Entry<String, Integer> entry : lmap.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}

运行结果是：

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语文: 1
数学: 2
英语: 3
历史: 4
政治: 5
地理: 6
生物: 7
化学: 8

我们可以观察到，和HashMap的运行结果不同，LinkedHashMap的迭代输出的结果保持了插入顺序。是什么样的结构使得LinkedHashMap具有如此特性呢？我们还是一样的看看LinkedHashMap的内部结构，对它有一个感性的认识。
LRU在 Java LRU 的LinkedHashMap 工作原理及实现

没错，正如官方文档所说：

Hash table and linked list implementation of the Map interface, with predictable iteration order. This implementation differs from HashMap in that it maintains a doubly-linked listrunning through all of its entries. This linked list defines the iteration ordering, which is normally the order in which keys were inserted into the map (insertion-order).

LinkedHashMap是Hash表和链表的实现，并且依靠着双向链表保证了迭代顺序是插入的顺序。

2. 三个重点实现的函数

在HashMap中提到了下面的定义：

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// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }

LinkedHashMap继承于HashMap，因此也重新实现了这3个函数，顾名思义这三个函数的作用分别是：节点访问后、节点插入后、节点移除后做一些事情。

afterNodeAccess函数

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void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    // 如果定义了accessOrder，那么就保证最近访问节点放到最后
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

就是说在进行put之后就算是对节点的访问了，那么这个时候就会更新链表，把最近访问的放到最后，保证链表。

afterNodeInsertion函数

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void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    // 如果定义了移除规则，则执行相应的溢出
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
        K key = first.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    }
}

如果用户定义了removeEldestEntry的规则，那么便可以执行相应的移除操作。

afterNodeRemoval函数

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void afterNodeRemoval(Node<K,V> e) { // unlink
    // 从链表中移除节点
    LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
        (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
    p.before = p.after = null;
    if (b == null)
        head = a;
    else
        b.after = a;
    if (a == null)
        tail = b;
    else
        a.before = b;
}

这个函数是在移除节点后调用的，就是将节点从双向链表中删除。

我们从上面3个函数看出来，基本上都是为了保证双向链表中的节点次序或者双向链表容量所做的一些额外的事情，目的就是保持双向链表中节点的顺序要从eldest到youngest。

3. put和get函数

put函数在LinkedHashMap中未重新实现，只是实现了afterNodeAccess和afterNodeInsertion两个回调函数。get函数则重新实现并加入了afterNodeAccess来保证访问顺序，下面是get函数的具体实现：

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public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
        return null;
    if (accessOrder)
        afterNodeAccess(e);
    return e.value;
}

值得注意的是，在accessOrder模式下，只要执行get或者put等操作的时候，就会产生structural modification。官方文档是这么描述的：

A structural modification is any operation that adds or deletes one or more mappings or, in the case of access-ordered linked hash maps, affects iteration order. In insertion-ordered linked hash maps, merely changing the value associated with a key that is already contained in the map is not a structural modification. In access-ordered linked hash maps, merely querying the map with get is a structural modification.

不要犯了像 ConcurrentModificationException with LinkedHashMap 类似的问题。

总之，LinkedHashMap不愧是HashMap的儿子，和老子太像了，当然，青出于蓝而胜于蓝，LinkedHashMap的其他的操作也基本上都是为了维护好那个具有访问顺序的双向链表。:-)

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