LRU算法

LRU是Least Recently Used 的缩写，即“最近最少使用”，基于LRU算法实现的Cache机制简单地说就是缓存一定量的数据，当超过设定的阈值时就把一些过期的数据删除掉，比如我们缓存10000条数据，当数据小于10000时可以随意添加，当超过10000时就需要把新的数据添加进来，同时要把过期数据删除，以确保我们最大缓存10000条，那怎么确定删除哪条过期数据呢，采用LRU算法实现就是将最老的数据删除。Java里面实现LRU缓存通常有两种选择，一种是使用LinkedHashMap，一种是自己设计数据结构，使用链表+HashMap方式。

LinkedHashMap自身已经实现了顺序存储，默认情况下是按照元素的添加顺序存储，也可以启用按照访问顺序存储，即最近读取的数据放在最前面，最早读取的数据放在最后面，然后它还有一个判断是否删除最老数据的方法，默认是返回false，即不删除数据。

代码清单4-4所示示例是LinkedHashMap的一个构造函数，当参数accessOrder为true时，将会按照访问顺序排序，最后访问的放在最前，最早访问的放在后面。

代码清单4-4　LRU Cache的LinkedHashMap实现

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, booleanaccessOrder) {

        super(initialCapacity, loadFactor);

        this.accessOrder = accessOrder;

}

代码清单4-5所示赛马是LinkedHashMap自带的判断方法，判断是否删除最老的元素方法，默认返回false，即不删除老数据，我们要做的就是重写这个方法，当满足一定条件时删除老数据。

代码清单4-5　重写删除方法

protected booleanremoveEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {

        return false;

}

采用inheritance方式实现比较简单，该方式实现了Map接口，在多线程环境使用时可以使用Collections.synchronizedMap()方法实现线程安全操作。

代码清单4-6　LRU缓存LinkedHashMap(inheritance)实现

importjava.util.LinkedHashMap;

import java.util.Map;

 

public classLRUCache2<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {

    private final int MAX_CACHE_SIZE;

 

    public LRUCache2(int cacheSize) {

        super((int) Math.ceil(cacheSize / 0.75)+ 1, 0.75f, true);

        MAX_CACHE_SIZE = cacheSize;

    }

 

    @Override

    protected booleanremoveEldestEntry(Map.Entry eldest) {

        return size() > MAX_CACHE_SIZE;

    }

 

    @Override

    public String toString() {

        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        for (Map.Entry<K, V> entry :entrySet()) {

            sb.append(String.format("%s:%s", entry.getKey(), entry.getValue()));

        }

        return sb.toString();

    }

}

代码清单4-6的实现是比较标准的实现，在实际使用过程中这样写还是有些烦琐，更实用的方法是像代码清单4-7这样写，省去了单独新建一个类的麻烦。

代码清单4-7　LRU缓存LinkedHashMap(inheritance)实现改进版

final int cacheSize =100;

Map<String,String> map = new LinkedHashMap<String, String>((int) Math.ceil(cacheSize/ 0.75f) + 1, 0.75f, true) {

    @Override

    protected booleanremoveEldestEntry(Map.Entry<String, String> eldest) {

    return size() > cacheSize;

    }

};

相比inheritance实现方式来说，delegation实现方式实现更加优雅一些，但是由于没有实现Map接口，所以线程同步就需要自己搞定了。

代码清单4-8　LRU缓存LinkedHashMap(delegation)实现

importjava.util.LinkedHashMap;

import java.util.Map;

import java.util.Set;

 

/**

 * Created by liuzhao on 14-5-13.

 */

public classLRUCache3<K, V> {

 

    private final int MAX_CACHE_SIZE;

    private final float DEFAULT_LOAD_FACTOR =0.75f;

    LinkedHashMap<K, V> map;

 

    public LRUCache3(int cacheSize) {

        MAX_CACHE_SIZE = cacheSize;

        //根据cacheSize和加载因子计算hashmap的capactiy，+1确保当达到cacheSize上限时不会触发hashmap的扩容，

        int capacity = (int)Math.ceil(MAX_CACHE_SIZE / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1;

        map = new LinkedHashMap(capacity,DEFAULT_LOAD_FACTOR, true) {

            @Override

            protected booleanremoveEldestEntry(Map.Entry eldest) {

                return size() >MAX_CACHE_SIZE;

            }

        };

    }

 

    public synchronized void put(K key, Vvalue) {

        map.put(key, value);

    }

 

    public synchronized V get(K key) {

        return map.get(key);

    }

 

    public synchronized void remove(K key) {

        map.remove(key);

    }

 

    public synchronized Set<Map.Entry<K,V>> getAll() {

        return map.entrySet();

    }

 

    public synchronized int size() {

        return map.size();

    }

 

    public synchronized void clear() {

        map.clear();

    }

 

    @Override

    public String toString() {

        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        for (Map.Entry entry : map.entrySet()){

            sb.append(String.format("%s:%s", entry.getKey(), entry.getValue()));

        }

        return sb.toString();

    }

}

注意，上面的实现方式是非线程安全的，若在多线程环境下使用需要在相关方法上添加synchronized以实现线程安全操作。

前面说过，除了LinkedHashMap方式以外，我们还有一种采用LRU Cache的链表+HashMap实现的方式，如代码清单4-9包含的代码所示。

代码清单4-9　LRU Cache的链表+HashMap实现

importjava.util.HashMap;

public classLRUCache1<K, V> {

 

    private final int MAX_CACHE_SIZE;

    private Entry first;

    private Entry last;

 

    private HashMap<K, Entry<K, V>>hashMap;

 

    public LRUCache1(int cacheSize) {

        MAX_CACHE_SIZE = cacheSize;

        hashMap = new HashMap<K, Entry<K,V>>();

    }

 

    public void put(K key, V value) {

        Entry entry = getEntry(key);

        if (entry == null) {

            if (hashMap.size() >=MAX_CACHE_SIZE) {

                hashMap.remove(last.key);

                removeLast();

            }

            entry = new Entry();

            entry.key = key;

        }

        entry.value = value;

        moveToFirst(entry);

        hashMap.put(key, entry);

    }

 

    public V get(K key) {

        Entry<K, V> entry =getEntry(key);

        if (entry == null) return null;

        moveToFirst(entry);

        return entry.value;

    }

 

    public void remove(K key) {

        Entry entry = getEntry(key);

        if (entry != null) {

            if (entry.pre != null)entry.pre.next = entry.next;

            if (entry.next != null)entry.next.pre = entry.pre;

            if (entry == first) first =entry.next;

            if (entry == last) last =entry.pre;

        }

        hashMap.remove(key);

    }

 

    private void moveToFirst(Entry entry) {

       if (entry == first) return;

        if (entry.pre != null) entry.pre.next =entry.next;

        if (entry.next != null) entry.next.pre= entry.pre;

        if (entry == last) last = last.pre;

 

        if (first == null || last == null) {

            first = last = entry;

            return;

        }

 

        entry.next = first;

        first.pre = entry;

        first = entry;

        entry.pre = null;

    }

 

    private void removeLast() {

        if (last != null) {

            last = last.pre;

            if (last == null) first = null;

            else last.next = null;

        }

    }

 

 

    private Entry<K, V> getEntry(K key) {

        return hashMap.get(key);

    }

 

    @Override

    public String toString() {

        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        Entry entry = first;

        while (entry != null) {

            sb.append(String.format("%s:%s", entry.key, entry.value));

            entry = entry.next;

        }

        return sb.toString();

    }

 

    class Entry<K, V> {

        public Entry pre;

        public Entry next;

        public K key;

        public V value;

    }

}

欢迎关注麦克叔叔每晚十点说，让我们一起交流与学习。