一、基本概念
1.1 LruCache 的作用
LruCache的基本思想是Least Recently Used，即 最近最少使用，也就是当LruCache内部缓存在内存中的对象大小之和到达设定的阈值后，会删除 访问时间距离当前最久 的对象，从而避免了OOM的发生。
LruCache特别适用于图片内存缓存这种有可能需要占用很多内存，但是只有最近使用的对象才有可能用到的场景。
1.2 LruCache 的使用
下面，我们用一个例子来演示一下LruCache的使用，让大家有一个初步的认识。
public class LruCacheSamples {
private static final int MAX_SIZE = 50;
public static void startRun() {
LruCacheSample sample = new LruCacheSample();
Log.d("LruCacheSample", "Start Put Object1, size=" + sample.size());
sample.put("Object1", new Holder("Object1", 10));
Log.d("LruCacheSample", "Start Put Object2, size=" + sample.size());
sample.put("Object2", new Holder("Object2", 20));
Log.d("LruCacheSample", "Start Put Object3, size=" + sample.size());
sample.put("Object3", new Holder("Object3", 30));
Log.d("LruCacheSample", "Start Put Object4, size=" + sample.size());
sample.put("Object4", new Holder("Object4", 10));
}
static class LruCacheSample extends LruCache {
LruCacheSample() {
super(MAX_SIZE);
}
@Override
protected int sizeOf(String key, Holder value) {
return value.getSize();
}
@Override
protected void entryRemoved(boolean evicted, String key, Holder oldValue, Holder newValue) {
if (oldValue != null) {
Log.d("LruCacheSample", "remove=" + oldValue.getName());
}
if (newValue != null) {
Log.d("LruCacheSample", "add=" + newValue.getName());
}
}
}
static class Holder {
private String mName;
private int mSize;
Holder(String name, int size) {
mName = name;
mSize = size;
}
public String getName() {
return mName;
}
public int getSize() {
return mSize;
}
}
}
运行结果为：
在放入
Object3之后，由于放入之前
LruCache的大小为
30，而
Object3的大小为
30，放入之后的大小为
60，超过了最先设定的最大值
50，因此会移除最先插入的
Object1，减去该元素的大小
10，最新的大小变为
50。
二、源码解析
2.1 构造函数
首先看一下LruCache的构造函数：
/**
* @param maxSize for caches that do not override {@link #sizeOf}, this is
* the maximum number of entries in the cache. For all other caches,
* this is the maximum sum of the sizes of the entries in this cache.
*/
public LruCache(int maxSize) {
if (maxSize <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("maxSize <= 0");
}
//最大的阈值。
this.maxSize = maxSize;
//用于存放缓存在内存中的对象
this.map = new LinkedHashMap(0, 0.75f, true);
}
当我们创建一个LruCache类时需要指定一个最大的阈值maxSize，而我们的对象会缓存在LinkedHashMap当中：
-
maxSize等于LinkedHashMap中每个元素的sizeOf(key, value)之和，默认情况下每个对象的大小为1，使用者可以通过重写sizeOf指定对应元素的大小。 -
LinkedHashMap是实现LRU算法的核心，它会根据对象的使用情况维护一个双向链表，其内部的header.after指向历史最悠久的元素，而header.before指向最年轻的元素，这一“年龄”的依据可以是访问的顺序，也可以是写入的顺序。
2.2 put 流程
接下来看一下与put相关的方法：
/**
* Caches {@code value} for {@code key}. The value is moved to the head of
* the queue.
*
* @return the previous value mapped by {@code key}.
*/
public final V put(K key, V value) {
if (key == null || value == null) {
throw new NullPointerException("key == null || value == null");
}
V previous;
//同步代码块，因此是线程安全的。
synchronized (this) {
putCount++;
//获得该对象的大小，由 LruCache 的使用者来决定，要求返回值大于等于 0，否则抛出异常。
size += safeSizeOf(key, value);
//调用的是 HashMap 的 put 方法，previous 是之前该 key 值存放的对象。
previous = map.put(key, value);
//如果已经存在，由于它现在被替换成了新的 value，所以需要减去这个大小。
if (previous != null) {
size -= safeSizeOf(key, previous);
}
}
//通知使用者该对象被移除了。
if (previous != null) {
entryRemoved(false, key, previous, value);
}
//由于放入了新的对象，因此需要确保目前总的容量没有超过设定的阈值。
trimToSize(maxSize);
return previous;
}
private int safeSizeOf(K key, V value) {
int result = sizeOf(key, value);
if (result < 0) {
throw new IllegalStateException("Negative size: " + key + "=" + value);
}
return result;
}
/**
* Returns the size of the entry for {@code key} and {@code value} in
* user-defined units. The default implementation returns 1 so that size
* is the number of entries and max size is the maximum number of entries.
*
* An entry's size must not change while it is in the cache.
*/
protected int sizeOf(K key, V value) {
//默认情况下，每个对象的权重值为 1。
return 1;
}
/**
* Remove the eldest entries until the total of remaining entries is at or
* below the requested size.
*
* @param maxSize the maximum size of the cache before returning. May be -1
* to evict even 0-sized elements.
*/
public void trimToSize(int maxSize) {
while (true) {
K key;
V value;
synchronized (this) {
if (size < 0 || (map.isEmpty() && size != 0)) {
throw new IllegalStateException(getClass().getName()
+ ".sizeOf() is reporting inconsistent results!");
}
//这是一个 while 循环，因此将一直删除最悠久的结点，直到小于阈值。
if (size <= maxSize) {
break;
}
//获得历史最悠久的结点。
Map.Entry toEvict = map.eldest();
if (toEvict == null) {
break;
}
key = toEvict.getKey();
value = toEvict.getValue();
//从 map 中将它移除。
map.remove(key);
size -= safeSizeOf(key, value);
evictionCount++;
}
//通知使用者该对象被移除了。
entryRemoved(true, key, value, null);
}
}
关于代码的解释都在注释中了，其核心的思想就是在每放入一个元素之后，通过sizeOf来获得这个元素的权重值，如果发现所有元素的权重值之和大于size，那么就通过trimToSize移除历史最悠久的元素，并通过entryRemoved回调给LruCache的实现者。
2.3 get 流程
/**
* Returns the value for {@code key} if it exists in the cache or can be
* created by {@code #create}. If a value was returned, it is moved to the
* head of the queue. This returns null if a value is not cached and cannot
* be created.
*/
public final V get(K key) {
//与 HashMap 不同，LruCache 不允许 key 值为空。
if (key == null) {
throw new NullPointerException("key == null");
}
V mapValue;
synchronized (this) {
//首先在 map 中查找，如果找到了就直接返回。
mapValue = map.get(key);
if (mapValue != null) {
hitCount++;
return mapValue;
}
missCount++;
}
//如果在 map 中没有找到，get 方法不会直接返回 null，而是先回调 create 方法，让使用者有一个创建的机会。
V createdValue = create(key);
//如果使用者没有重写 create 方法，那么会返回 null。
if (createdValue == null) {
return null;
}
synchronized (this) {
createCount++;
//由于 create 的过程没有加入同步块，因此有可能在创建的过程中，使用者通过 put 方法在 map 相同的位置放入了一个对象，这个对象是 mapValue。
mapValue = map.put(key, createdValue);
//如果存在上面的情况，那么会抛弃掉 create 方法创建对象，重新放入已经存在于 map 中的对象。
if (mapValue != null) {
map.put(key, mapValue);
} else {
//增加总的权重大小。
size += safeSizeOf(key, createdValue);
}
}
//如果存在冲突的情况，那么要通知使用者这一变化，但是有大小并没有改变，所以不需要重新计算大小。
if (mapValue != null) {
entryRemoved(false, key, createdValue, mapValue);
return mapValue;
} else {
//由于大小改变了，因此需要重新计算大小。
trimToSize(maxSize);
return createdValue;
}
}
这里需要特别说明一下LruCache与HashMap的get方法的区别：如果LinkedHashMap中不存在Key对应的Value，get方法并像HashMap一样直接返回，而是先 通过create方法尝试让使用者重新创建一个对象，如果创建成功，那么将会把这个对象放入到集合当中，并返回这个新创建的对象。
上面这种是单线程的情况，如果在多线程的情况下，由于create方法没有加入synchronized关键字，因此有可能 一个线程在create方法创建对象的过程中，另一个线程又通过put方法在Key对应的相同位置放入一个对象，在这种情况下，将会抛弃掉由create创建的对象，维持原有的状态。
2.4 LinkedHashMap
通过get/set方法，我们可以知道LruCache是通过trimToSize来保证它所维护的对象的权重之和不超过maxSize，最后我们再来分析一下LinkedHashMap，看下它是如何保证每次大小超过maxSize时，移除的都是历史最悠久的元素的。
LinkedHashMap继承于HashMap，它通过重写相关的方法在HashMap的基础上实现了双向链表的特性。
2.4.1 Entry 元素
LinkedHashMap重新定义了HashMap数组中的HashMapEntry，它的实现为LinkedHashMapEntry，除了原有的next、key、value和hash值以外，它还额外地保存了after和before两个指针，用来实现根据写入顺序或者读取顺序来排列的双向链表。
private static class LinkedHashMapEntry extends HashMapEntry {
LinkedHashMapEntry before, after;
LinkedHashMapEntry(int hash, K key, V value, HashMapEntry next) {
super(hash, key, value, next);
}
//删除链表结点。
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}
//在 existingEntry 之前插入该结点。
private void addBefore(LinkedHashMapEntry existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}
//如果是按访问顺序排列，那么将该结点插入到整个链表的头部。
void recordAccess(HashMap m) {
LinkedHashMap lm = (LinkedHashMap)m;
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
remove();
addBefore(lm.header);
}
}
//从链表中移除该结点。
void recordRemoval(HashMap m) {
remove();
}
}
2.4.2 初始化
LinkedHashMap重写了init()方法，该方法会在其父类HashMap的构造函数中被调用，在init()方法中，会初始化一个空的LinkedHashMapEntry结点header，它的before指向最年轻的元素，而after指向历史最悠久的元素。
void init() {
header = new LinkedHashMapEntry<>(-1, null, null, null);
header.before = header.after = header;
}
在LinkedHashMap的构造函数中，可以传入accessOrder，如果accessOrder为true，那么“历史最悠久”的元素表示的是访问时间距离当前最久的元素，即按照访问顺序排列；如果为false，那么表示最先插入的元素，即按照插入顺序排列，默认的值为false。
2.4.3 元素写入
对于元素的写入，LinkedHashMap并没有重写put方法，而是重写了addEntry/createEntry方法，在创建结点的同时，更新它所维护的双向链表。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
LinkedHashMapEntry eldest = header.after;
if (eldest != header) {
boolean removeEldest;
size++;
try {
removeEldest = removeEldestEntry(eldest);
} finally {
size--;
}
if (removeEldest) {
removeEntryForKey(eldest.key);
}
}
super.addEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
HashMapEntry old = table[bucketIndex];
LinkedHashMapEntry e = new LinkedHashMapEntry<>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
e.addBefore(header);
size++;
}
2.4.4 元素读取
对于元素的读取，LinkedHashMap重写了get方法，它首先调用HashMap的getEntry方法找到结点，如果判断是需要根据访问的顺序来排列双向列表，那么就需要对链表进行更新，即调用我们在2.4.1中看到的recordAccess方法。
public V get(Object key) {
LinkedHashMapEntry e = (LinkedHashMapEntry)getEntry(key);
if (e == null)
return null;
e.recordAccess(this);
return e.value;
}
三、参考文献
深入 Java 集合学习系列：LinkedHashMap 的实现原理