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Tonyguxu
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WXXR LRUMap的实现

 
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前言

实现LRU算法,注意观察者模式、并发(读写锁、线程池)的运用

核心类:LRUMap

成员变量

LinkedHashMap<K,V> map —— 底层存放元素( key-value )的容器。

ConcurrentLinkedQueue<LRUMapEvictionListener<K,V>> listeners —— 监听器队列,存放注册到该LRUMap的所有监听器(通过 LRUMap的 addListener注册 ),具体监听器实现 LRUMapEvictionListener接口,实现void objectEvicted(K key, V value)方法(对象逐出处理程序,详见  )。当执行LRUMap的evict、setCapacity、put操作时,会notify listener,并由线程池中的线程来遍历 listeners 执行各个监听器的处理程序(即 objectEvicted )。

 

ExpirationProcessor exProcess —— 内部类,线程类(继承Thread,是个守护线程setDaemon(true)),唤作“阎王线程”。持有成员属性Map<Object,Long> expirations唤作“死亡手册”(放置了key和lastAccess最后访问时间)和long expireTime(构造阎王线程实例时候设置的存活时间)。 “阎王线程”会不断地定时地检查死亡名单,如果名单中某个元素达到死亡时间(当前时间 - lastAccess > expireTime),则将该元素从名单 容器 中删除并notify listener做相应处理操作。

 

“阎王线程”何时新建、start呢?

在实例化LRUMap的时候,会根据设置的存活时间 expireTime决定是否启动“阎王线程”,如果实例化LRUMap时不指定 expireTime 或者设置为0,则不会有人定期检查容器中的元素是否到了死亡时间了。

if(expired > 0){
            exProcess = new ExpirationProcessor(this,expired*1000L);
            exProcess.start();
        }
 

 

ThreadPoolExecutor poolExecutor ——线程池用于异步执行监听器处理程序。在调用LRUMap构造的时候实例化。

 

poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1,10,120L,TimeUnit.SECONDS,
    			new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
    			new ThreadFactoryImpl(null,"LRUMap Listener Thread")
    			);

poolExecutor.execute(new Runnable() {		
			public void run() {
				doNotifyListeners(rmKey,rmVal);
			}
		});

 

ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock() ——通过readLock()和writeLock()可以获得读锁和写锁。

 

内部类

private static class ExpirationProcessor extends Thread —— “阎王线程”类,在run()方法里while(true)体,会不断地定期地(每隔10s)检查死亡名单,将达到死亡时间的成员“干掉”。

 

将key及对应的最近访问时间放到阎王线程持有的死亡名单expirations里

public Long put(Object key, Long value) {
            return expirations.put(key, value);
        }
  

构造方法

 

public LRUMap(int size) —— expired存活时间默认为0

public LRUMap(int size,int expired)

public LRUMap(int size,int expired) {
        if(size <= 0){
            throw new IllegalArgumentException("Size should larger than 0");
        }
        map = new LinkedHashMap<K,V>(size);
        this.capacity = size;
        listeners = new ConcurrentLinkedQueue<LRUMapEvictionListener<K,V>>();  
        poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1,10,120L,TimeUnit.SECONDS,
    			new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
    			new ThreadFactoryImpl(null,"LRUMap Listener Thread")
    			);
        if(expired > 0){
            exProcess = new ExpirationProcessor(this,expired*1000L);
            exProcess.start();
        }
    }

 

成员方法

public boolean containsKey(K key) ——判断是否包含key,注意读锁

 

public boolean containsKey(K key){
    	Lock lock = readWriteLock.readLock();
    	lock.lock();
    	try{
	    	return map.containsKey(key);
    	}finally{
    		lock.unlock();
    	}
    }
 

 

public V get(K key) ——从容器里获得key对应的value。根据LRU算法,如果根据key获取元素时,该元素会被认为最近使用,执行先删后加(加在链表尾部表示活跃使用),然后返回key对应的value,注意读写锁

 

public V get(K key){
    	Lock lock = readWriteLock.readLock();
    	lock.lock();
    	try {
			if(map.containsKey(key)){
				Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
				lock.unlock();
				writeLock.lock();				
				try {
					//体现LRU算法:最近使用的元素会被放在最后面位置
					map.put(key,map.remove(key));		// Most-Recent used is always in last
					if(exProcess != null){
					    exProcess.put(key,System.currentTimeMillis());
					}
				}finally {
					lock.lock();
					writeLock.unlock();
				}
				return map.get(key);
			}
			return null;
		} finally {
			lock.unlock();
		}
    }
 

 

public V peek(K key) ——返回key对应的value。peek与get的区别

 

public V peek(K key){
    	Lock lock = readWriteLock.readLock();
    	lock.lock();
    	try {
				return map.get(key);
		} finally {
			lock.unlock();
		}
    }
 

 

public void put(K key, V value) ——如果key已经存在,则先删后加(加在链表尾部),如果容器已满,则先删除第一个元素再add。

 

 public void put(K key, V value){
		if(key == null){
			throw new IllegalArgumentException("Key object cannot be null.");
		}
    	Lock lock = readWriteLock.writeLock();
    	lock.lock();
		try {
			if(map.containsKey(key)){
				map.remove(key);
			}else{
			    if(capacity == 0){
			        return;
			    }
				//体现LRU算法:如果容器满了,则将最老的元素逐出,
				//在这里最老的元素放置在LinkHashMap第一个位置上
				if(map.size()==capacity){	// reach the limit of key list
					K rmKey = map.keySet().iterator().next();	// remove the eldest(LRU) one
					V rmVal = map.remove(rmKey);
			        if(exProcess != null){
			            exProcess.remove(rmKey);
			        }
			        notifyListeners(rmKey,rmVal);
				}
			    if(exProcess != null){
			        exProcess.put(key,System.currentTimeMillis());
			    }
			}
			map.put(key,value);
		} finally {
			lock.unlock();
		}
    }
 

 

public int size() ——容器当前大小

 

public int size(){
    	Lock lock = readWriteLock.readLock();
    	lock.lock();
    	try{
	    	return map.size();
    	}finally{
    		lock.unlock();
    	}
    }
 

 

public int getCapacity() ——获得容器容量

 

public void setCapacity(int newSize) ——设置容器容量,如果新设置的容量大小(newSize)小于容器已经包含的元素数(oldSize),需要将部分元素丢弃掉,从 LinkedHashMap头开始 删除(oldSize-newSize)个元素。

 

 

public void setCapacity(int newSize){
    	Lock lock = readWriteLock.writeLock();
    	lock.lock();
        try {
			this.capacity = newSize;
			if(map.size() > capacity){
				int count = map.size()-capacity;
				//体现LRU算法
				for(Iterator<K> itr = map.keySet().iterator();itr.hasNext()&&(count > 0);count--){  // shrink the map
				    K rmKey = itr.next();   // remove the eldest(LRU) one
				    V rmVal = map.get(rmKey);
				    itr.remove();
				    if(exProcess != null){
				        exProcess.remove(rmKey);
				    }
				    notifyListeners(rmKey,rmVal);
				}
			}
		} finally {
			lock.unlock();
		}
    }
 

 

public V remove(K key) ——将元素从LRUMap容器中及“阎王线程”持有的死亡名单中删除。

 

public V remove(K key) {
    	Lock lock = readWriteLock.writeLock();
    	lock.lock();
        try {
	        if(exProcess != null){
	            exProcess.remove(key);
	        }
	        return map.remove(key);
        }finally{
        	lock.unlock();
        }
    }
 

 

public V evict(K key) ——与remove差别,多了notifyListeners(key,val)

 

public V evict(K key) {
    	Lock lock = readWriteLock.writeLock();
    	lock.lock();
        try {
	        if(exProcess != null){
	            exProcess.remove(key);
	        }
	        V val = map.remove(key);
	        if(val != null){
	        	notifyListeners(key,val);
	        }
	        return val;
        }finally{
        	lock.unlock();
        }
    }
 

 

public List<K> keys() ——获得key的列表

 public List<K> keys(){

    	Lock lock = readWriteLock.readLock();
    	lock.lock();
    	try{
            return new LinkedList<K>(map.keySet());
       	}finally{
    		lock.unlock();
    	}
   }
 

public List<K> getMRUKeys(int num) ——获得排在后面num个元素的key。后面num个元素一般是比较活跃的元素。

 

Listener相关方法:

(注:运用了观察者模式,模式详见参考1,当LRUMap的状态发生变化时,比如调用了evict、setCapacity、put方法时,通知观察者(监听器Listener)做相应处理,具体监听器会实 LRUMapEvictionListener接口

public void addListener(LRUMapEvictionListener<K,V> listener) ——将Listener实例加到listeners queue里

public boolean removeListener(LRUMapEvictionListener<K,V> listener) ——从listeners queue里删除该Listener实例

private void notifyListeners(final K rmKey,final V rmVal) ——在evict、setCapacity、put里调用

private void notifyListeners(final K rmKey,final V rmVal) {
        if(listeners.isEmpty()){
            return;
        }
        poolExecutor.execute(new Runnable() {		
			public void run() {
				doNotifyListeners(rmKey,rmVal);
			}
		
		});
    }
 

private void doNotifyListeners(final K rmKey,final V rmVal) 

private void doNotifyListeners(final K rmKey,final V rmVal) {
        if(listeners.isEmpty()){
            return;
        }
        for (LRUMapEvictionListener<K,V> l : listeners) {
            l.objectEvicted(rmKey,rmVal);
        }
    }
 

 

监听器接口:

public interface LRUMapEvictionListener<K, V> {
    void objectEvicted(K key, V val);
}

构造LRUMap后,通过 addListener注册监听器实例(可以多次注册,监听器实例存放在LRUMap的成员属性 listeners中 )。

void objectEvicted(K key, V val)传入key和value,从方法名看叫做“对象逐出方法”,一般是在调用了LRUMap的一些操作如 evict、setCapacity、put(按照LRU算法这些操作通常涉及到元素的添加和删除以及位置的变化)时,会调用该处理程序,该处理程序针对不同应用场景有不同实现。

如下示例

private LRUMap<String, IndexWriter> writerCache = new LRUMap<String, IndexWriter>(writerCacheSize, expireTime * 60);

//注册监听器
writerCache.addListener(new LRUMapEvictionListener<String, IndexWriter>() {
           //监听器处理程序
           @Override
           public void objectEvicted(String name, IndexWriter writer) {
              if (log.isInfoEnabled()) {
                 log.info("IndexWriter of :" + name + " is evicted,going to evict correspondent IndexReader .");
              }
              readerCache.evict(name);
              numberOfWriterEvicted.incrementAndGet();
              try {
                 writer.close();
              }catch (Exception e) {
                 log.warn("failed to close writer of :"+name, e);
              }
           }
        });
 

线程工厂:

 

 

后记

1.体会读写锁的使用

 

http://nemogu.iteye.com/blog/1409879

2.java.util和java.util.concurrent中集合类

 

3.实现LRUMap时为什么使用观察者模式

LinkedHashMap<K,V> map中的元素被逐出(Evicte)后,如果想对这个被逐出的对象做处理(比如close)或者做一些其他相关操作,使用观察者模式,可以在map中的元素被逐出时,调用观察者类(监听器类)。

参考

1.观察者模式 http://nemogu.iteye.com/admin/blogs/1407857

 

 

 

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