更新存储的Iterator时的ConcurrentModificationException(用于LRU缓存实现)

Question

我正在尝试实现自己的LRU缓存.是的,我知道Java 为此目的提供了LinkedHashMap,但我试图使用基本数据结构来实现它.

通过阅读这个主题,我明白我需要一个HashMap来O(1)查找一个密钥和一个链表来管理"最近最少使用的"驱逐策略.我发现这些引用都使用标准库hashmap但实现了自己的链表:

• " LRU缓存和快速定位对象通常使用哪些数据结构？ "(stackoverflow.com)
• " 实施LRU缓存的最佳方法是什么？ "(quora.com)
• " 用C++实现LRU缓存 "(uml.edu)
• " LRU Cache(Java) "(programcreek.com)

哈希表应该直接存储链接列表节点,如下所示.我的缓存应该存储Integer键和String值.

但是,在Java中,LinkedList集合不公开其内部节点,因此我无法将它们存储在HashMap中.我可以将HashMap存储索引放入LinkedList中,但是到达一个项目需要O(N)时间.所以我试着存储一个ListIterator.

import java.util.Map;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.LinkedList;
import java.util.ListIterator;

public class LRUCache {

    private static final int DEFAULT_MAX_CAPACITY = 10;

    protected Map<Integer, ListIterator> _map = new HashMap<Integer, ListIterator>();
    protected LinkedList<String> _list = new LinkedList<String>();

    protected int _size = 0;
    protected int _maxCapacity = 0;

    public LRUCache(int maxCapacity) {
        _maxCapacity = maxCapacity;
    }

    // Put the key, value pair into the LRU cache.
    // The value is placed at the head of the linked list.
    public void put(int key, String value) {

        // Check to see if the key is already in the cache.
        ListIterator iter = _map.get(key);

        if (iter != null) {
            // Key already exists, so remove it from the list.
            iter.remove(); // Problem 1: ConcurrentModificationException!
        }

        // Add the new value to the front of the list.
        _list.addFirst(value);
        _map.put(key, _list.listIterator(0));

        _size++;

        // Check if we have exceeded the capacity.
        if (_size > _maxCapacity) {
            // Remove the least recently used item from the tail of the list.
            _list.removeLast();
        }
    }

    // Get the value associated with the key.
    // Move value to the head of the linked list.
    public String get(int key) {

        String result = null;
        ListIterator iter = _map.get(key);

        if (iter != null) {

            //result = iter
            // Problem 2: HOW DO I GET THE STRING FROM THE ITERATOR?

        }

        return result;
    }

    public static void main(String argv[]) throws Exception {
        LRUCache lruCache = new LRUCache(10);

        lruCache.put(10, "This");
        lruCache.put(20, "is");
        lruCache.put(30, "a");
        lruCache.put(40, "test");
        lruCache.put(30, "some"); // Causes ConcurrentModificationException
    }
}

所以这导致了三个问题:

问题1:当我使用存储在HashMap中的迭代器更新LinkedList时,我收到了ConcurrentModificationException.

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.LinkedList$ListItr.checkForComodification(LinkedList.java:953)
    at java.util.LinkedList$ListItr.remove(LinkedList.java:919)
    at LRUCache.put(LRUCache.java:31)
    at LRUCache.main(LRUCache.java:71)

问题2.如何检索ListIterator指向的值？看来我只能检索next()值.

问题3.有没有办法使用Java集合LinkedList实现这个LRU缓存,还是我真的必须实现自己的链表？

Answer 1

我先解决问题3：

正如您在问题中指出的那样，LinkedList（就像所有精心设计的通用集合一样）隐藏了实现的细节，例如包含链接的节点。在您的情况下，您需要哈希映射来直接引用这些链接作为映射的值。否则（例如通过第三类进行间接访问）将违背 LRU 缓存的目的，即允许非常低的值访问开销。但这对于标准 Java 集合来说是不可能的 - 它们不（也不应该）提供对内部结构的直接访问。

因此，逻辑结论是，是的，您需要实现自己的方式来存储缓存中项目的使用顺序。这不一定是双链表。这些传统上用于 LRU 缓存，因为最常见的操作是在访问节点时将其移动到列表的顶部。在双链表中，这是一个非常便宜的操作，只需要重新链接四个节点，无需分配或释放内存。

问题1和2：

本质上，这里的根本原因是您尝试使用迭代器作为游标。它们被设计为被创建、逐步执行某些操作，然后被处理。即使你克服了所遇到的问题，我预计它们背后还会有更多的问题。您正在将一个方形钉子放入一个圆孔中。

所以我的结论是，您需要实现自己的方式来在跟踪访问顺序的类中保存值。然而它可以非常简单：只需要​​三个操作：创建、获取值和从尾部删除。创建和获取值都必须将节点移动到链表的头部。不能从列表中间插入或删除。没有删除头部。没有搜索。老实说非常简单。

希望这能让您开始:-)

public class <K,V> LRU_Map implements Map<K,V> {
    private class Node {
        private final V value;
        private Node previous = null;
        private Node next = null;

        public Node(V value) {
            this.value = value;
            touch();
            if (tail == null)
                tail = this;
        }

        public V getValue() {
            touch();
            return value;
        }

        private void touch() {
            if (head != this) {
                unlink();
                moveToHead();
            }
        }

        private void unlink() {
            if (tail == this)
                tail = prev;
            if (prev != null)
                prev.next = next;
            if (next != null)
                next.prev = prev;
        }

        private void moveToHead() {
            prev = null;
            next = head;
            head = this;
        }

        public void remove() {
            assert this == tail;
            assert this != head;
            assert next == null;
            if (prev != null)
                prev.next = null;
            tail = prev;
        }
    }

    private final Map<K,Node> map = new HashMap<>();
    private Node head = null;
    private Node tail = null;

    public void put(K key, V value) {
        if (map.size() >= MAX_SIZE) {
            assert tail != null;
            tail.remove();
        }
        map.put(key, new Node(value));
    }

    public V get(K key) {
        if (map.containsKey(key))
            return map.get(key).getValue();
        else
            return null;
    }

    // and so on for other Map methods
}