数据结构与算法 | 如何实现LRU缓存淘汰算法

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前面，我们学习了 链表 的实现，今天我们来学习链表的一个经典的应用场景——LRU淘汰算法。

缓存是一种提高数据读取性能的技术，在硬件设计、软件开发中都有着非常广泛的应用，比如常见的 CPU 缓存、数据库缓存、浏览器缓存等等。

缓存的大小有限，当缓存被用满时，哪些数据应该被清理出去，哪些数据应该被保留？这就需要缓存淘汰策略来决定。常见的策略有三种：先进先出策略 FIFO（First In，First Out）、最少使用策略 LFU（Least Frequently Used）、最近最少使用策略 LRU（Least Recently Used），本篇将介绍LRU策略算法。

LRU Cache

这一算法的核心思想是，当缓存数据达到预设的上限后，会优先淘汰掉近期最少使用的缓存对象。

思路

LRU淘汰算法涉及数据的添加与删除，出于性能考虑，采用链表来进行实现，思路如下：

• 维护一个双向链表用于存放缓存数据，越接近链表尾部的数据表示越少被使用到。

• 放入一个数据时，如果数据已存在则将其移动到链表头部，并更新Key所对应的Value值，如果不存在，则：

  • 如果缓存容量已达到最大值，则将链表尾部节点删除掉，将新的数据放入链表头部；
  • 如果缓存容量未达到最大值，则直接将新的数据放入链表头部；

• 查询一个数据时，遍历整个链表，如果能查询到对应的数据，则将其移动到链表头部；如果查询不到则返回null；

  • 由于遍历链表的时间复杂度为O(n)，我们可以使用散列表HashMap来记录每个Key所对应的Node节点，将时间复杂度降为O(1)。

代码

package one.wangwei.algorithms.utils;


import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * LRU Cache
 *
 * @author https://wangwei.one
 * @date 2019/01/29
 */
public class LRUCache<K, V> {

    private int capacity;
    private Node head;
    private Node tail;
    private Map<K, Node> nodeMap;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.nodeMap = new HashMap<>(capacity);
    }

    /**
     * Get Key
     *
     * @param key
     * @return
     */
    public V get(K key) {
        Node existNode = nodeMap.get(key);
        if (existNode == null) {
            return null;
        }
        remove(existNode);
        addFirst(existNode);
        return existNode.value;
    }

    /**
     * Add Key-Value
     *
     * @param key
     * @param value
     */
    public void put(K key, V value) {
        Node existNode = nodeMap.get(key);
        if (existNode == null) {
            Node newNode = new Node(key, value);
            if (nodeMap.size() >= capacity) {
                removeLast();
            }
            addFirst(newNode);
        }
        else {
            // update the value
            existNode.value = value;
            remove(existNode);
            addFirst(existNode);
        }
    }

    /**
     * remove node
     *
     * @param node
     */
    private void remove(Node node) {
        Node prev = node.prev;
        Node next = node.next;

        if (prev == null) {
            head = next;
        } else {
            prev.next = next;
        }
        if (next == null) {
            tail = prev;
        } else {
            next.prev = prev;
        }
        nodeMap.remove(node.key);
    }

    /**
     * add first node
     *
     * @param node
     */
    private void addFirst(Node node) {
        node.prev = null;
        if (head == null) {
            head = tail = node;
        } else {
            node.next = head;
            head.prev = node;
            head = node;
        }
        nodeMap.put(node.key, node);
    }

    /**
     * remove last
     */
    private void removeLast() {
        if (tail == null) {
            return;
        }
        // remove key from map
        nodeMap.remove(tail.key);
        // remove node from linked list
        Node prev = tail.prev;
        if (prev != null) {
            prev.next = null;
            tail = prev;
        } else {
            head = tail = null;
        }
    }

    private class Node {

        private K key;
        private V value;
        private Node prev;
        private Node next;

        private Node(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
    }
}

源码

LeetCode上相关的练习题：Leetcode 146. LRU Cache

性能测试：LeetCode上运行时间为88ms，超过了 43.42% 的Java代码。

相关练习

• 链表反转
• 链表环检测
• 有序链表合并
• 删除倒数第N个节点
• 求链表的中间结点

参考资料

• 《数据结构与算法之美》