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LRU算法 原理及实现代码实现

LRU原理

LRU(Least recently used,最近最少使用)算法根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据,其核心思想是“如果数据最近被访问过,那么将来被访问的几率也更高”。

  • 最常见的实现是使用一个链表保存缓存数据,详细算法实现如下
LRU算法 原理及实现代码实现
  • 新数据插入到链表头部;
  • 每当缓存命中(即缓存数据被访问),则将数据移到链表头部;
  • 当链表满的时候,将链表尾部的数据丢弃。

    【命中率】

    当存在热点数据时,LRU的效率很好,但偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降,缓存污染情况比较严重。

    【复杂度】

    实现简单。

    【代价】

    命中时需要遍历链表,找到命中的数据块索引,然后需要将数据移到头部。

代码实现

很多编程语言都有内置的哈希链表或者类似 LRU 功能的库函数,但是为了帮大家理解算法的细节,我们用 Java 自己造轮子实现一遍 LRU 算法。

首先,我们把双链表的节点类写出来,为了简化,key 和 val 都认为是 int 类型:

class Node {
    public int key, val;
    public Node next, prev;
    public Node(int k, int v) {
        this.key = k;
        this.val = v;
    }
}
           

然后依靠我们的 Node 类型构建一个双链表,实现几个要用到的 API,这些操作的时间复杂度均为 O(1) :

class DoubleList {  
    // 在链表头部添加节点 x
    public void addFirst(Node x);

    // 删除链表中的 x 节点(x 一定存在)
    public void remove(Node x);

    // 删除链表中最后一个节点,并返回该节点
    public Node removeLast();

    // 返回链表长度
    public int size();
}
           

PS:这就是普通双向链表的实现,为了让读者集中精力理解 LRU 算法的逻辑,就省略链表的具体代码。

到这里就能回答刚才“为什么必须要用双向链表”的问题了,因为我们需要删除操作。删除一个链表节点不光要得到该节点本身的指针,也需要操作其前驱节点的指针,而双向链表才能支持直接查找前驱,保证操作的时间复杂度 O(1)。

有了双向链表的实现,我们只需要在 LRU 算法中把它和哈希表结合起来即可。我们先把逻辑理清楚:

LRU算法 原理及实现代码实现

如果能够看懂上述逻辑,翻译成代码就很容易理解了:

LRU算法 原理及实现代码实现