面试官：如何实现一个LruCache，原理是什么？
1. 简介
LRU 是 Least Recently Used 最近最少使用算法。
曾经，在各大缓存图片的框架没流行的时候。有一种很常用的内存缓存技术：SoftReference 和 WeakReference（软引用和弱引用）。但是走到了 Android 2.3（Level 9）时代，垃圾回收机制更倾向于回收 SoftReference 或 WeakReference的对象。后来，又来到了 Android3.0，图片缓存在内容中，因为不知道要在是什么时候释放内存，没有策略，没用一种可以预见的场合去将其释放。这就造成了内存溢出。
2. 使用方法
当成一个 Map 用就可以了，只不过实现了 LRU 缓存策略。
使用的时候记住几点即可：
- (必填)你需要提供一个缓存容量作为构造参数。
- （必填） 覆写 sizeOf 方法 ，自定义设计一条数据放进来的容量计算，如果不覆写就无法预知数据的容量，不能保证缓存容量限定在最大容量以内。
- （选填） 覆写 entryRemoved 方法 ，你可以知道最少使用的缓存被清除时的数据（ evicted, key, oldValue, newVaule ）。
- （记住）LruCache是线程安全的，在内部的 get、put、remove 包括 trimToSize 都是安全的（因为都上锁了）。
- （选填） 还有就是覆写 create 方法 。
一般做到 1、2、3、4就足够了，5可以无视 。
以下是 一个 LruCache 实现 Bitmap 小缓存的案例, entryRemoved 里的自定义逻辑可以无视，想看的可以去到我的我的展示 demo 里的看自定义 entryRemoved 逻辑。
private static final float ONE_MIB = 1024 * 1024;
// 7MB
private static final int CACHE_SIZE = (int) (7 * ONE_MIB);
private LruCache<String, Bitmap> bitmapCache;
this.bitmapCache = new LruCache<String, Bitmap>(CACHE_SIZE) {
protected int sizeOf(String key, Bitmap value) {
return value.getByteCount();
}
@Override
protected void entryRemoved(boolean evicted, String key, Bitmap oldValue, Bitmap newValue) {
...
}
};
3. 源码分析
3.1 LruCache 原理概要解析
LruCache 就是 利用 LinkedHashMap 的一个特性（ accessOrder＝true 基于访问顺序 ）再加上对 LinkedHashMap 的数据操作上锁实现的缓存策略。
LruCache 的数据缓存是内存中的。
- 首先设置了内部 LinkedHashMap 构造参数 accessOrder=true， 实现了数据排序按照访问顺序。
- 然后在每次 LruCache.get(K key)`` 方法里都会调用LinkedHashMap.get(Object key)`。
- 如上述设置了 accessOrder=true 后，每次 LinkedHashMap.get(Object key) 都会进行 LinkedHashMap.makeTail(LinkedEntry<K, V> e)。
- LinkedHashMap 是双向循环链表，然后每次 LruCache.get -> LinkedHashMap.get 的数据就被放到最末尾了。
- 在 put 和 trimToSize 的方法执行下，如果发生数据量移除，会优先移除掉最前面的数据（因为最新访问的数据在尾部）。
具体解析在：3.2、3.3、3.4、3.5 。
3.2 LruCache 的唯一构造方法
/**
* LruCache的构造方法：需要传入最大缓存个数
*/
public LruCache(int maxSize) {
...
this.maxSize = maxSize;
/*
* 初始化LinkedHashMap
* 第一个参数：initialCapacity，初始大小
* 第二个参数：loadFactor，负载因子=0.75f
* 第三个参数：accessOrder=true，基于访问顺序；accessOrder=false，基于插入顺序
*/
this.map = new LinkedHashMap<K, V>(0, 0.75f, true);
}
第一个参数 initialCapacity 用于初始化该 LinkedHashMap 的大小。
先简单介绍一下 第二个参数 loadFactor，这个其实的 HashMap 里的构造参数，涉及到扩容问题，比如 HashMap 的最大容量是100，那么这里设置0.75f的话，到75容量的时候就会扩容。
主要是第三个参数 accessOrder=true ，这样的话 LinkedHashMap 数据排序就会基于数据的访问顺序，从而实现了 LruCache 核心工作原理。
3.3 LruCache.get(K key)
/**
* 根据 key 查询缓存，如果存在于缓存或者被 create 方法创建了。
* 如果值返回了，那么它将被移动到双向循环链表的的尾部。
* 如果如果没有缓存的值，则返回 null。
*/
public final V get(K key) {
...
V mapValue;
synchronized (this) {
// 关键点：LinkedHashMap每次get都会基于访问顺序来重整数据顺序
mapValue = map.get(key);
// 计算 命中次数
if (mapValue != null) {
hitCount++;
return mapValue;
}
// 计算 丢失次数
missCount++;
}
/*
* 官方解释：
* 尝试创建一个值，这可能需要很长时间，并且Map可能在create()返回的值时有所不同。如果在create()执行的时
* 候，一个冲突的值被添加到Map，我们在Map中删除这个值，释放被创造的值。
*/
V createdValue = create(key);
if (createdValue == null) {
return null;
}
/***************************
* 不覆写create方法走不到下面 *
***************************/
/*
* 正常情况走不到这里
* 走到这里的话 说明 实现了自定义的 create(K key) 逻辑
* 因为默认的 create(K key) 逻辑为null
*/
synchronized (this) {
// 记录 create 的次数
createCount++;
// 将自定义create创建的值，放入LinkedHashMap中，如果key已经存在，会返回 之前相同key 的值
mapValue = map.put(key, createdValue);
// 如果之前存在相同key的value，即有冲突。
if (mapValue != null) {
/*
* 有冲突
* 所以 撤销 刚才的 操作
* 将 之前相同key 的值 重新放回去
*/
map.put(key, mapValue);
} else {
// 拿到键值对，计算出在容量中的相对长度，然后加上
size += safeSizeOf(key, createdValue);
}
}
// 如果上面 判断出了 将要放入的值发生冲突
if (mapValue != null) {
/*
* 刚才create的值被删除了，原来的 之前相同key 的值被重新添加回去了
* 告诉 自定义 的 entryRemoved 方法
*/
entryRemoved(false, key, createdValue, mapValue);
return mapValue;
} else {
// 上面 进行了 size += 操作 所以这里要重整长度
trimToSize(maxSize);
return createdValue;
}
}
上述的 get 方法表面并没有看出哪里有实现了 LRU 的缓存策略。主要在 mapValue = map.get(key)里，调用了 LinkedHashMap 的 get 方法，再加上 LruCache 构造里默认设置 LinkedHashMap 的 accessOrder=true。
3.4 LinkedHashMap.get(Object key)
/**
* Returns the value of the mapping with the specified key.
*
* @param key
* the key.
* @return the value of the mapping with the specified key, or {@code null}
* if no mapping for the specified key is found.
*/
@Override public V get(Object key) {
/*
* This method is overridden to eliminate the need for a polymorphic
* invocation in superclass at the expense of code duplication.
*/
if (key == null) {
HashMapEntry<K, V> e = entryForNullKey;
if (e == null)
return null;
if (accessOrder)
makeTail((LinkedEntry<K, V>) e);
return e.value;
}
int hash = Collections.secondaryHash(key);
HashMapEntry<K, V>[] tab = table;
for (HashMapEntry<K, V> e = tab[hash & (tab.length - 1)];
e != null; e = e.next) {
K eKey = e.key;
if (eKey == key || (e.hash == hash && key.equals(eKey))) {
if (accessOrder)
makeTail((LinkedEntry<K, V>) e);
return e.value;
}
}
return null;
}
其实仔细看 if (accessOrder) 的逻辑即可，如果 accessOrder=true 那么每次 get 都会执行 N 次 makeTail(LinkedEntry<K, V> e) 。
接下来看看：
3.5 LinkedHashMap.makeTail(LinkedEntry<K, V> e)
/**
* Relinks the given entry to the tail of the list. Under access ordering,
* this method is invoked whenever the value of a pre-existing entry is
* read by Map.get or modified by Map.put.
*/
private void makeTail(LinkedEntry<K, V> e) {
// Unlink e
e.prv.nxt = e.nxt;
e.nxt.prv = e.prv;
// Relink e as tail
LinkedEntry<K, V> header = this.header;
LinkedEntry<K, V> oldTail = header.prv;
e.nxt = header;
e.prv = oldTail;
oldTail.nxt = header.prv = e;
modCount++;
}
// Unlink e
// Relink e as tail
LinkedHashMap 是双向循环链表，然后此次 LruCache.get -> LinkedHashMap.get 的数据就被放到最末尾了。
以上就是 LruCache 核心工作原理。
接下来介绍 LruCache 的容量溢出策略。
3.6 LruCache.put(K key, V value)
public final V put(K key, V value) {
...
synchronized (this) {
...
// 拿到键值对，计算出在容量中的相对长度，然后加上
size += safeSizeOf(key, value);
...
}
...
trimToSize(maxSize);
return previous;
}
记住几点：
put开始的时候确实是把值放入 LinkedHashMap 了，不管超不超过你设定的缓存容量。- 然后根据
safeSizeOf方法计算 此次添加数据的容量是多少，并且加到 size里 。 - 说到 safeSizeOf 就要讲到
sizeOf(K key, V value)会计算出此次添加数据的大小 。 - 直到 put 要结束时，进行了 trimToSize 才判断 size 是否 大于 maxSize 然后进行最近很少访问数据的移除。
3.7 LruCache.trimToSize(int maxSize)
public void trimToSize(int maxSize) {
/*
* 这是一个死循环，
* 1.只有 扩容 的情况下能立即跳出
* 2.非扩容的情况下，map的数据会一个一个删除，直到map里没有值了，就会跳出
*/
while (true) {
K key;
V value;
synchronized (this) {
// 在重新调整容量大小前，本身容量就为空的话，会出异常的。
if (size < 0 || (map.isEmpty() && size != 0)) {
throw new IllegalStateException(
getClass().getName() + ".sizeOf() is reporting inconsistent results!");
}
// 如果是 扩容 或者 map为空了，就会中断，因为扩容不会涉及到丢弃数据的情况
if (size <= maxSize || map.isEmpty()) {
break;
}
Map.Entry<K, V> toEvict = map.entrySet().iterator().next();
key = toEvict.getKey();
value = toEvict.getValue();
map.remove(key);
// 拿到键值对，计算出在容量中的相对长度，然后减去。
size -= safeSizeOf(key, value);
// 添加一次收回次数
evictionCount++;
}
/*
* 将最后一次删除的最少访问数据回调出去
*/
entryRemoved(true, key, value, null);
}
}
简单描述：会判断之前 size 是否大于 maxSize 。是的话，直接跳出后什么也不做。不是的话，证明已经溢出容量了。由 makeTail 图已知，最近经常访问的数据在最末尾。拿到一个存放 key 的 Set，然后一直一直从头开始删除，删一个判断是否溢出，直到没有溢出。
最后看看：
3.8 覆写 entryRemoved 的作用
entryRemoved被LruCache调用的场景：
-
（put） put 发生 key 冲突时被调用，evicted=false，key=此次 put 的 key，oldValue=被覆盖的冲突 value，newValue=此次 put 的 value。
-
（trimToSize） trimToSize 的时候，只会被调用一次，就是最后一次被删除的最少访问数据带回来。evicted=true，key=最后一次被删除的 key，oldValue=最后一次被删除的 value，newValue=null（此次没有冲突，只是 remove）。
-
（remove） remove的时候，存在对应 key，并且被成功删除后被调用。evicted=false，key=此次 put的 key，oldValue=此次删除的 value，newValue=null（此次没有冲突，只是 remove）。
-
（get后半段，查询丢失后处理情景，不过建议忽略） get 的时候，正常的话不实现自定义 create 的话，代码上看 get 方法只会走一半，如果你实现了自定义的 create(K key) 方法，并且在 你 create 后的值放入 LruCache 中发生 key 冲突时被调用，evicted=false，key=此次 get 的 key，oldValue=被你自定义 create(key)后的 value，newValue=原本存在 map 里的 key-value。
解释一下第四点吧：
<1>.第四点是这样的，先 get(key)，然后没拿到，丢失。
<2>.如果你提供了 自定义的 create(key) 方法，那么 LruCache 会根据你的逻辑自造一个 value，但是当放入的时候发现冲突了，但是已经放入了。
<3>.此时，会将那个冲突的值再让回去覆盖，此时调用上述4.的 entryRemoved。
因为 HashMap 在数据量大情况下，拿数据可能造成丢失，导致前半段查不到，你自定义的 create(key)放入的时候发现又查到了（有冲突）。然后又急忙把原来的值放回去，此时你就白白create一趟，无所作为，还要走一遍entryRemoved。
综上就如同注释写的一样：
/**
* 1.当被回收或者删掉时调用。该方法当value被回收释放存储空间时被remove调用
* 或者替换条目值时put调用，默认实现什么都没做。
* 2.该方法没用同步调用，如果其他线程访问缓存时，该方法也会执行。
* 3.evicted=true：如果该条目被删除空间 （表示 进行了trimToSize or remove） evicted=false：put冲突后 或 get里成功create后
* 导致
* 4.newValue!=null，那么则被put()或get()调用。
*/
protected void entryRemoved(boolean evicted, K key, V oldValue, V newValue) {
}
可以参考我的demo 里的 entryRemoved 。
4.9 LruCache 局部同步锁
在 get, put, trimToSize, remove 四个方法里的 entryRemoved 方法都不在同步块里。因为 entryRemoved 回调的参数都属于方法域参数，不会线程不安全。
本地方法栈和程序计数器是线程隔离的数据区
4. 总结 LruCache重要的几点
-
LruCache 是通过 LinkedHashMap 构造方法的第三个参数的 accessOrder=true实现了 LinkedHashMap 的数据排序基于访问顺序 （最近访问的数据会在链表尾部），在容量溢出的时候，将链表头部的数据移除。从而，实现了 LRU 数据缓存机制。
-
LruCache 在内部的get、put、remove包括 trimToSize 都是安全的（因为都上锁了）。LruCache 自身并没有释放内存，将 LinkedHashMap的数据移除了，如果数据还在别的地方被引用了，还是有泄漏问题，还需要手动释放内存。
-
覆写 entryRemoved方法能知道 LruCache 数据移除是是否发生了冲突，也可以去手动释放资源。
-
maxSize 和 sizeOf(K key, V value) 方法的覆写息息相关，必须相同单位。（ 比如 maxSize 是7MB，自定义的 sizeOf 计算每个数据大小的时候必须能算出与MB之间有联系的单位 ）
