Android源碼解析——LruCache

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Android源碼解析——LruCache

 

LRU

在讀LruCache源碼之前,我們先來瞭解一下這裡的Lru是什麼。LRU全稱為Least Recently Used,即最近最少使用,是一種緩衝置換演算法。我們的緩衝容量是有限的,它會面臨一個問題:當有新的內容需要加入我們的緩衝,但我們的緩衝閒置空間不足以放進新的內容時,如何捨棄原有的部分內容從而騰出空間用來放新的內容。解決這個問題的演算法有多種,比如LRU,LFU,FIFO等。
需要注意區分的是LRULFU。前者是最近最少使用,即淘汰最長時間未使用的對象;後者是最近最不常使用,即淘汰一段時間內使用最少的對象。比如我們緩衝對象的順序是:A B C B D A C A ,當需要淘汰一個對象時,如果採用LRU演算法,則淘汰的是B,因為它是最長時間未被使用的。如果採用LFU演算法,則淘汰的是D,因為在這段時間內它只被使用了一次,是最不經常使用的。
瞭解了LRU之後,我們再來看一下LruCache是如何?的。

LinkedHashMap

我們看一下LruCache的結構,它的成員變數及構造方法定義如下(這裡分析的是android-23裡的代碼):

    private final LinkedHashMap<K, V> map;    private int size; //當前緩衝內容的大小。它不一定是元素的個數,比如如果緩衝的是圖片,一般用的是圖片佔用的記憶體大小    private int maxSize; // 最大可快取的大小    private int putCount; // put 方法被調用的次數    private int createCount; // create(Object) 被調用的次數    private int evictionCount; // 被置換出來的元素的個數    private int hitCount; // get 方法命中緩衝中的元素的次數    private int missCount; // get 方法未命中緩衝中元素的次數    public LruCache(int maxSize) {        if (maxSize <= 0) {            throw new IllegalArgumentException("maxSize <= 0");        }        this.maxSize = maxSize;        this.map = new LinkedHashMap<K, V>(0, 0.75f, true);    }

從上面的定義中會發現,LruCache進行緩衝的內容是放在LinkedHashMap對象當中的。那麼,LinkedHashMap是什嗎?它是怎麼實現LRU這種緩衝策略的?

LinkedHashMap繼承自HashMap,不同的是,它是一個雙向迴圈鏈表,它的每一個資料結點都有兩個指標,分別指向直接前驅和直接後繼,這一個我們可以從它的內部類LinkedEntry中看出,其定義如下:

    static class LinkedEntry<K, V> extends HashMapEntry<K, V> {        LinkedEntry<K, V> nxt;        LinkedEntry<K, V> prv;        /** Create the header entry */        LinkedEntry() {            super(null, null, 0, null);            nxt = prv = this;        }        /** Create a normal entry */        LinkedEntry(K key, V value, int hash, HashMapEntry<K, V> next,                    LinkedEntry<K, V> nxt, LinkedEntry<K, V> prv) {            super(key, value, hash, next);            this.nxt = nxt;            this.prv = prv;        }    }

LinkedHashMap實現了雙向迴圈鏈表的資料結構,它的定義如下:

public class LinkedHashMap<K, V> extends HashMap<K, V> {    transient LinkedEntry<K, V> header;    private final boolean accessOrder;}

當鏈表不為空白時,header.nxt指向第一個結點,header.prv指向最後一個結點;當鏈表為空白時,header.nxtheader.prv都指向它本身。
accessOrder是指定它的排序方式,當它為false時,只按插入的順序排序,即新放入的順序會在鏈表的尾部;而當它為true時,更新或訪問某個節點的資料時,這個對應的結點也會被放到尾部。它通過構造方法public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)來賦值。
我們來看一下加入一個新結點時的方法執行過程:

    @Override void addNewEntry(K key, V value, int hash, int index) {        LinkedEntry<K, V> header = this.header;        // Remove eldest entry if instructed to do so.        LinkedEntry<K, V> eldest = header.nxt;        if (eldest != header && removeEldestEntry(eldest)) {            remove(eldest.key);        }        // Create new entry, link it on to list, and put it into table        LinkedEntry<K, V> oldTail = header.prv;        LinkedEntry<K, V> newTail = new LinkedEntry<K,V>(                key, value, hash, table[index], header, oldTail);        table[index] = oldTail.nxt = header.prv = newTail;    }

可以看到,當加入一個新結點時,結構如下:


QQ20160512214030.png


accessOrdertrue時,更新或者訪問一個結點時,它會把這個結點移到尾部,對應代碼如下:

    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++;    }

以上代碼分為兩步,第一步是先把該節點取出來(Unlink e),如:


QQ20160512215842.png


第二步是把這個這個結點移到尾部(Relink e as tail),也就是把舊的尾部的nxt以及頭部的prv指向它,並讓它的nxt指向頭部,把它的prv指向舊的尾部。如:


QQ20160512220227.png

除此之外,LinkedHashMap還提供了一個方法public Entry<K, V> eldest(),它返回的是最老的結點,當accessOrdertrue時,也就是最近最少使用的結點。

LruCache

熟悉了LinkedHashMap之後,我們發現,通過它來實現Lru演算法也就變得理所當然了。我們所需要做的,就只剩下定義緩衝的最大大小,記錄緩衝當前大小,在放入新資料時檢查是否超過最大大小。所以LruCache定義了以下三個必需的成員變數:

    private final LinkedHashMap<K, V> map;    /** Size of this cache in units. Not necessarily the number of elements. */    private int size;    private int maxSize;

然後我們來讀一下它的get方法:

    public final V get(K key) {        if (key == null) {            throw new NullPointerException("key == null");        }        V mapValue;        synchronized (this) {            mapValue = map.get(key);            if (mapValue != null) {// 當能擷取到對應的值時,返回該值                hitCount++;                return mapValue;            }            missCount++;        }        /*         * Attempt to create a value. This may take a long time, and the map         * may be different when create() returns. If a conflicting value was         * added to the map while create() was working, we leave that value in         * the map and release the created value.         */        //嘗試建立一個值,這個方法的預設實現是直接返回null。但是在它的設計中,這個方法可能執行完成之後map已經有了變化。        V createdValue = create(key);        if (createdValue == null) {//如果不為沒有命名的key建立新值,則直接返回            return null;        }        synchronized (this) {            createCount++;            //將建立的值放入map中,如果map在前面的過程中正好放入了這對key-value,那麼會返回放入的value            mapValue = map.put(key, createdValue);            if (mapValue != null) {//如果不為空白,說明不需要我們所建立的值,所以又把返回的值放進去                // There was a conflict so undo that last put                map.put(key, mapValue);            } else {                size += safeSizeOf(key, createdValue);//為空白,說明我們更新了這個key的值,需要重新計算大小            }        }        if (mapValue != null) {//上面放入的值有衝突            entryRemoved(false, key, createdValue, mapValue);// 通知之前建立的值已經被移除,而改為mapValue            return mapValue;        } else {            trimToSize(maxSize);//沒有衝突時,因為放入了新建立的值,大小已經有變化,所以需要修整大小            return createdValue;        }    }

LruCache是可能被多個線程同時訪問的,所以在讀寫map時進行加鎖。當擷取不到對應的key的值時,它會調用其create(K key)方法,這個方法用於當緩衝沒有命名時計算一個key所對應的值,它的預設實現是直接返回null。這個方法並沒有加上同步鎖,也就是在它進行建立時,map可能已經有了變化。
所以在get方法中,如果create(key)返回的V不為null,會再把它給放到map中,並檢查是否在它建立的期間已經有其他對象也進行建立並放到map中了,如果有,則會放棄這個建立的對象,而把之前的對象留下,否則因為我們放入了新建立的值,所以要計算現在的大小並進行trimToSize
trimToSize方法是根據傳進來的maxSize,如果當前大小超過了這個maxSize,則會移除最老的結點,直到不超過。代碼如下:

    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!");                }                if (size <= maxSize) {                    break;                }                Map.Entry<K, V> toEvict = map.eldest();                if (toEvict == null) {                    break;                }                key = toEvict.getKey();                value = toEvict.getValue();                map.remove(key);                size -= safeSizeOf(key, value);                evictionCount++;            }            entryRemoved(true, key, value, null);        }    }

接下來,我們再來看put方法,它的代碼也很簡單:

    public final V put(K key, V value) {        if (key == null || value == null) {            throw new NullPointerException("key == null || value == null");        }        V previous;        synchronized (this) {            putCount++;            size += safeSizeOf(key, value);            previous = map.put(key, value);            if (previous != null) {                size -= safeSizeOf(key, previous);            }        }        if (previous != null) {            entryRemoved(false, key, previous, value);        }        trimToSize(maxSize);        return previous;    }

主要邏輯是,計算新增加的大小,加入size,然後把key-value放入map中,如果是更新舊的資料(map.put(key, value)會返回之前的value),則減去舊資料的大小,並調用entryRemoved(false, key, previous, value)方法通知舊資料被更新為新的值,最後也是調用trimToSize(maxSize)修整緩衝的大小。
剩下的其他方法,比如刪除裡面的對象,或進行調整大小的操作,邏輯上都和上面的類似,這裡略過。LruCache還定義了一些變數用於統計快取命中率等,這裡也不再進行贅述。

結語

LruCache的源碼分析就到這裡,它對LRU演算法的實現主要是通過LinkedHashMap來完成。另外,使用LRU演算法,說明我們需要設定緩衝的最大大小,而緩衝對象的大小在不同的緩衝類型當中的計算方法是不同的,計算的方法通過protected int sizeOf(K key, V value)實現,這裡的預設實現是存放的元素的個數。舉個例子,如果我們要緩衝Bitmap對象,則需要重寫這個方法,並返回bitmap對象的所有像素點所佔的記憶體大小之和。還有,LruCache在實現的時候考慮到了多線程的訪問問題,所以在對map進行更新時,都會加上同步鎖。

LruCache是對LRU策略的記憶體緩衝的實現,基於它,我們可以去實現自己的圖片緩衝或其它緩衝等。除了記憶體緩衝的LRU演算法實現,Google在後來的系統源碼中也曾經加上該演算法的磁碟緩衝的實現,目前在android-23的樣本DisplayingBitmaps中,也有對應的源碼DiskLruCache.java。對了,關於如何使用LruCache來實現圖片記憶體緩衝的具體代碼,同樣可以參照Google提供的這個範例程式碼中的ImageCache.java(線上瀏覽範例程式碼請FQ訪問:https://android.googlesource.com/platform/developers/samples/android/+/master/ui/graphics/DisplayingBitmaps/Application/src/main/java/com/example/android/displayingbitmaps/util/)。

另外,囉嗦一句:LRU的緩衝策略由來已久,圖片緩衝也並非沒有策略,弱引用和軟引用更不是各種圖片框架沒流行之前的很常用的記憶體緩衝技術,記憶體回收機制更傾向於回收弱引用和軟引用對象的這種說法也是不妥當的。



Android源碼解析——LruCache

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