一、Android中的缓存策略
一般来说，缓存策略主要包含缓存的添加、获取和删除这三类操作。如何添加和获取缓存这个比较好理解，那么为什么还要删除缓存呢？这是因为不管是内存缓存还是硬盘缓存，它们的缓存大小都是有限的。当缓存满了之后，再想其添加缓存，这个时候就需要删除一些旧的缓存并添加新的缓存。
因此LRU(Least Recently Used)缓存算法便应运而生，LRU是近期最少使用的算法，它的核心思想是当缓存满时，会优先淘汰那些近期最少使用的缓存对象，有效的避免了OOM的出现。在Android中采用LRU算法的常用缓存有两种：LruCache和DisLruCache，分别用于实现内存缓存和硬盘缓存，其核心思想都是LRU缓存算法。
其实LRU缓存的实现类似于一个特殊的栈，把访问过的元素放置到栈顶（若栈中存在，则更新至栈顶；若栈中不存在则直接入栈），然后如果栈中元素数量超过限定值，则删除栈底元素（即最近最少使用的元素）。详细算法实现如下图：
1.新数据压入到栈顶；
2.每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到栈顶；
3.当栈满的时候，将栈底的数据丢弃。
举个例子演示一下：
二、LruCache的使用
LruCache是Android 3.1所提供的一个缓存类，所以在Android中可以直接使用LruCache实现内存缓存。而DisLruCache目前在Android 还不是Android SDK的一部分，但Android官方文档推荐使用该算法来实现硬盘缓存。
讲到LruCache不得不提一下LinkedHashMap，因为LruCache中Lru算法的实现就是通过LinkedHashMap来实现的。LinkedHashMap继承于HashMap，它使用了一个双向链表来存储Map中的Entry顺序关系，这种顺序有两种，一种是LRU顺序，一种是插入顺序，这可以由其构造函数public LinkedHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, boolean accessOrder)的最后一个参数accessOrder来指定。所以，对于get、put、remove等操作，LinkedHashMap除了要做HashMap做的事情，还做些调整Entry顺序链表的工作。LruCache中将LinkedHashMap的顺序设置为LRU顺序来实现LRU缓存，每次调用get(也就是从内存缓存中取图片)，则将该对象移到链表的尾端。调用put插入新的对象也是存储在链表尾端，这样当内存缓存达到设定的最大值时，将链表头部的对象（近期最少用到的）移除。关于LinkedHashMap详解请前往：理解LinkedHashMap
LruCache使用示例
LruCache的使用非常简单，我们就以图片缓存为例：
int maxMemory = (int) (Runtime.getRuntime().totalMemory()/1024);
int cacheSize = maxMemory/8;
mMemoryCache = new LruCache<String,Bitmap>(cacheSize){
@Override
protected int sizeOf(String key, Bitmap value) {
return value.getRowBytes()*value.getHeight()/1024;
}
};
① 设置LruCache缓存的大小，一般为当前进程可用容量的1/8。
② 重写sizeOf方法，计算出要缓存的每张图片的大小。
注意：缓存的总容量和每个缓存对象的大小所用单位要一致。
LruCache的实现原理
LruCache的核心思想很好理解，就是要维护一个缓存对象列表，其中对象列表的排列方式是按照访问顺序实现的，即一直没访问的对象，将放在队尾，即将被淘汰。而最近访问的对象将放在队头，最后被淘汰。如下图所示：
那么这个队列到底是由谁来维护的，前面已经介绍了是由LinkedHashMap来维护。
而LinkedHashMap是由数组+双向链表的数据结构来实现的。其中双向链表的结构可以实现访问顺序和插入顺序，使得LinkedHashMap中的
/**
* Constructs a new {@code LinkedHashMap} instance with the specified
* capacity, load factor and a flag specifying the ordering behavior.
*
* @param initialCapacity
* the initial capacity of this hash map.
* @param loadFactor
* the initial load factor.
* @param accessOrder
* {@code true} if the ordering should be done based on the last
* access (from least-recently accessed to most-recently
* accessed), and {@code false} if the ordering should be the
* order in which the entries were inserted.
*/
public LinkedHashMap(
int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) {
super(initialCapacity, loadFactor);
init();
this.accessOrder = accessOrder;
}
其中accessOrder设置为true则为访问顺序，为false，则为插入顺序。
以具体例子解释，当设置为true时：
public static final void main(String[] args) {
LinkedHashMap<Integer, Integer> map = new LinkedHashMap<>(0, 0.75f, true);
map.put(0, 0);
map.put(1, 1);
map.put(2, 2);
map.put(3, 3);
map.put(4, 4);
map.put(5, 5);
map.put(6, 6);
map.get(1); //访问1
map.get(2); //访问2
for (Map.Entry<Integer, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
}
}
输出结果如下：
0:0
3:3
4:4
5:5
6:6
1:1
2:2
即最近访问的对象会被放到队尾，然后最后输出，那么这就正好满足的LRU缓存算法的思想。可见LruCache巧妙实现，就是利用了LinkedHashMap的这种数据结构。
下面我们在LruCache源码中具体看看，怎么应用LinkedHashMap来实现缓存的添加，获得和删除的。
LruCache源码分析
我们先看看成员变量有哪些：
public class LruCache<K, V> {
private final LinkedHashMap<K, V> map;
/** Size of this cache in units. Not necessarily the number of elements. */
private int size; //当前cache的大小
private int maxSize; //cache最大大小
private int putCount; //put的次数
private int createCount; //create的次数
private int evictionCount; //驱逐剔除的次数
private int hitCount; //命中的次数
private int missCount; //未命中次数
//...省略...
}
构造函数如下，可以看到LruCache正是用了LinkedHashMap的accessOrder=true构造参数实现LRU访问顺序：
public LruCache(int maxSize) {
if (maxSize <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("maxSize <= 0");
}
this.maxSize = maxSize;
//将LinkedHashMap的accessOrder设置为true来实现LRU顺序
this.map = new LinkedHashMap<K, V>(0, 0.75f, true);
}
put方法
public final V put(K key, V value) {
//不可为空，否则抛出异常
if (key == null || value == null) {
throw new NullPointerException("key == null || value == null");
}
V previous; //旧值
synchronized (this) {
putCount++; //插入次数加1
size += safeSizeOf(key, value); //更新缓存的大小
previous = map.put(key, value);
//如果已有缓存对象，则缓存大小的值需要剔除这个旧的大小
if (previous != null) {
size -= safeSizeOf(key, previous);
}
}
//entryRemoved()是个空方法，可以自行实现
if (previous != null) {
entryRemoved(false, key, previous, value);
}
//调整缓存大小(关键方法)
trimToSize(maxSize);
return previous;
}
可以看到put()方法并没有什么难点，重要的就是在添加过缓存对象后，调用trimToSize()方法，来判断缓存是否已满，如果满了就要删除近期最少使用的算法。
trimToSize方法
public void trimToSize(int maxSize) {
while (true) {
K key;
V value;
synchronized (this) {
//如果map为空并且缓存size不等于0或者缓存size小于0，抛出异常
if (size < 0 || (map.isEmpty() && size != 0)) {
throw new IllegalStateException(getClass().getName()
+ ".sizeOf() is reporting inconsistent results!");
}
//如果缓存大小size小于最大缓存，或者map为空，则不需要再删除缓存对象，跳出循环
if (size <= maxSize || map.isEmpty()) {
break;
}
//迭代器获取第一个对象，即队头的元素，近期最少访问的元素
Map.Entry<K, V> toEvict = map.entrySet().iterator().next();
key = toEvict.getKey();
value = toEvict.getValue();
//删除该对象，并更新缓存大小
map.remove(key);
size -= safeSizeOf(key, value);
evictionCount++;
}
entryRemoved(true, key, value, null);
}
}
trimToSize()方法不断地删除LinkedHashMap中队头的元素，即近期最少访问的，直到缓存大小小于最大值。
当调用LruCache的get()方法获取集合中的缓存对象时，就代表访问了一次该元素，将会更新队列，保持整个队列是按照访问顺序排序。这个更新过程就是在LinkedHashMap中的get()方法中完成的。
我们先看LruCache的get()方法。
get方法
//LruCache的get()方法
public final V get(K key) {
if (key == null) {
throw new NullPointerException("key == null");
}
V mapValue;
synchronized (this) {
//获取对应的缓存对象
//LinkedHashMap的get()方法会实现将访问的元素更新到队列尾部的功能
mapValue = map.get(key);
//mapValue不为空表示命中，hitCount+1并返回mapValue对象
if (mapValue != null) {
hitCount++;
return mapValue;
}
missCount++; //未命中
}
/*
* 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.
* 如果未命中，则试图创建一个对象，这里create方法默认返回null,并没有实现创建对象的方法。
* 如果需要事项创建对象的方法可以重写create方法。因为图片缓存时内存缓存没有命中会去
* 文件缓存中去取或者从网络下载，所以并不需要创建，下面的就不用看了。
*/
V createdValue = create(key);
if (createdValue == null) {
return null;
}
//假如创建了新的对象，则继续往下执行
synchronized (this) {
createCount++;
//将createdValue加入到map中，并且将原来键为key的对象保存到mapValue
mapValue = map.put(key, createdValue);
if (mapValue != null) {
// There was a conflict so undo that last put
//如果mapValue不为空，则撤销上一步的put操作。
map.put(key, mapValue);
} else {
//加入新创建的对象之后需要重新计算size大小
size += safeSizeOf(key, createdValue);
}
}
if (mapValue != null) {
entryRemoved(false, key, createdValue, mapValue);
return mapValue;
} else {
//每次新加入对象都需要调用trimToSize方法看是否需要回收
trimToSize(maxSize);
return createdValue;
}
}
其中LinkedHashMap的get()方法如下：
//LinkedHashMap中的get方法
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
return null;
//实现排序的关键方法
if (accessOrder)
afterNodeAccess(e);
return e.value;
}
调用的afterNodeAccess()方法将该元素移到队尾，保证最后才删除，如下：
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
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;
}
//当前节点p移动到尾部之后，尾部指针指向当前节点
tail = p;
++modCount;
}
}
由此可见LruCache中维护了一个集合LinkedHashMap，该LinkedHashMap是以访问顺序排序的。当调用put()方法时，就会在结合中添加元素，并调用trimToSize()判断缓存是否已满，如果满了就用LinkedHashMap的迭代器删除队头元素，即近期最少访问的元素。当调用get()方法访问缓存对象时，就会调用LinkedHashMap的get()方法获得对应集合元素，同时会更新该元素到队尾。
以上便是LruCache实现的原理，理解了LinkedHashMap的数据结构就能理解整个原理。如果不懂，可以先看看LinkedHashMap的具体实现。
参考资料