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在文章的开始我们需要了解什么是缓存？缓存是预先根据数据列表准备一些重要数据。
没有缓存的话，系统的吞吐量就取决于存储速度最慢的数据，因此保持应用程序高性能的一个重要优化就是缓存。
web应用程序中有两项很重要的工作，分别是文件和视频Blob的缓存和快速访问页面模板。而在NodeJS中，非异步功能操作的延迟会决定系统什么时候为其他客户端提供服务，尽管操作系统有自己的文件缓存机制，但是同一个服务器中有多个web应用程序同时运行，且其中一个应用正在传输大量视频数据的时候，其他应用的缓存内容就可能会频繁失效，此时程序效率会大幅降低。
而针对应用程序资源的LRU算法能有效解决这个问题，使应用程序不被同一服务器中的其他应用程序缓存所影响。考虑到存储速度最慢数据决系统吞吐量的这一点，LRU缓存的存在能将系统性能提高2倍至100倍；同时，异步LRU会隐藏全部高速缓存未命中的延迟。
接下来我们一起来看具体实现的内容。
代码展示
- 首先构建一个用来构造LRU对象模块的文件：
'use strict';
let Lru = function(cacheSize,callbackBackingStoreLoad,elementLifeTimeMs=1000){
let me = this;
let maxWait = elementLifeTimeMs;
let size = parseInt(cacheSize,10);
let mapping = {};
let mappingInFlightMiss = {};
let buf = [];
for(let i=0;i<size;i++)
{
let rnd = Math.random();
mapping[rnd] = i;
buf.push({data:"",visited:false, key:rnd, time:0, locked:false});
}
let ctr = 0;
let ctrEvict = parseInt(cacheSize/2,10);
let loadData = callbackBackingStoreLoad;
this.get = function(key,callbackPrm){
let callback = callbackPrm;
if(key in mappingInFlightMiss)
{
setTimeout(function(){
me.get(key,function(newData){
callback(newData);
});
},0);
return;
}
if(key in mapping)
{
// RAM speed data
if((Date.now() - buf[mapping[key]].time) > maxWait)
{
if(buf[mapping[key]].locked)
{
setTimeout(function(){
me.get(key,function(newData){
callback(newData);
});
},0);
}
else
{
delete mapping[key];
me.get(key,function(newData){
callback(newData);
});
}
}
else
{
buf[mapping[key]].visited=true;
buf[mapping[key]].time = Date.now();
callback(buf[mapping[key]].data);
}
}
else
{
// datastore loading + cache eviction
let ctrFound = -1;
while(ctrFound===-1)
{
if(!buf[ctr].locked && buf[ctr].visited)
{
buf[ctr].visited=false;
}
ctr++;
if(ctr >= size)
{
ctr=0;
}
if(!buf[ctrEvict].locked && !buf[ctrEvict].visited)
{
// evict
buf[ctrEvict].locked = true;
ctrFound = ctrEvict;
}
ctrEvict++;
if(ctrEvict >= size)
{
ctrEvict=0;
}
}
mappingInFlightMiss[key]=true;
let f = function(res){
delete mapping[buf[ctrFound].key];
buf[ctrFound] =
{data: res, visited:false, key:key, time:Date.now(), locked:false};
mapping[key] = ctrFound;
callback(buf[ctrFound].data);
delete mappingInFlightMiss[key];
};
loadData(key,f);
}
};
};
exports.Lru = Lru;
- 文件缓存示例：
let Lru = require("./lrucache.js").Lru;
let fs = require("fs");
let path = require("path");
let fileCache = new Lru(500, async function(key,callback){
// cache-miss data-load algorithm
fs.readFile(path.join(__dirname,key),function(err,data){
if(err) {
callback({stat:404, data:JSON.stringify(err)});
}
else
{
callback({stat:200, data:data});
}
});
},1000 /* cache element lifetime */);
使用LRU构造函数获取参数（高速缓存大小、高速缓存未命中的关键字和回调、高速缓存要素生命周期）来构造CLOCK高速缓存。
- 异步缓存未命中回调的工作方式如下：
1.一些get()在缓存中找不到密钥
2.算法找到对应插槽
3.运行此回调：
在回调中，重要计算异步完成
回调结束时，将回调函数的回调返回到LRU缓存中 - 再次访问同一密钥的数据来自RAM
该依赖的唯一实现方法get()：
fileCache.get("./test.js",function(dat){
httpResponse.writeHead(dat.stat);
httpResponse.end(dat.data);
});
结果数据还有另一个回调，因此可以异步运行
工作原理
- 现在大多LRU的工作过程始终存在从键到缓存槽的“映射”对象，就缓存槽的数量而言实现O（1）键搜索时间复杂度。但是用JavaScript就简单多了：
映射对象：
let mapping = {};在映射中找到一个（字符串/整数）键：
if(key in mapping)
{
// key found, get data from RAM
}
高效且简单
- 只要映射对应一个缓存插槽，就可以直接从其中获取数据：
buf[mapping[key]].visited=true;
buf[mapping[key]].time = Date.now();
callback(buf[mapping[key]].data);
visited用来通知CLOCK指针（ctr和ctrEvict）保存该插槽，避免它被驱逐。time字段用来管理插槽的生命周期。只要访问到高速缓存命中都会更新time字段，把它保留在高速缓存中。
用户使用callback函数给get()函数提供用于检索高速缓存插槽的数据。
- 想要直接从映射插槽获取数据之前，需要先查看它的生命周期，如果生命周期已经结束，需要删除映射并用相同键重试使高速缓存丢失：
if((Date.now() - buf[mapping[key]].time) > maxWait)
{
delete mapping[key];
me.get(key,function(newData){
callback(newData);
});
}
删除映射后其他异步访问不会再影响其内部状态
- 如果在映射对象中没找到密钥，就运行LRU逐出逻辑寻找目标：
let ctrFound = -1;
while(ctrFound===-1)
{
if(!buf[ctr].locked && buf[ctr].visited)
{
buf[ctr].visited=false;
}
ctr++;
if(ctr >= size)
{
ctr=0;
}
if(!buf[ctrEvict].locked && !buf[ctrEvict].visited)
{
// evict
buf[ctrEvict].locked = true;
ctrFound = ctrEvict;
}
ctrEvict++;
if(ctrEvict >= size)
{
ctrEvict=0;
}
}
第一个“ if”块检查“第二次机会”指针（ctr）指向的插槽状态，如果是未锁定并已访问会将其标记为未访问，而不是驱逐它。
第三“If”块检查由ctrEvict指针指向的插槽状态，如果是未锁定且未被访问，则将该插槽标记为“ locked”，防止异步访问get() 方法，并找到逐出插槽，然后循环结束。
对比可以发现ctr和ctrEvict的初始相位差为50％：
let ctr = 0;
let ctrEvict = parseInt(cacheSize/2,10);
并且在“ while”循环中二者均等递增。这意味着，这二者循环跟随另一方，互相检查。高速缓存插槽越多，对目标插槽搜索越有利。对每个键而言，每个键至少停留超过N / 2个时针运动才从从逐出中保存。
- 找到目标插槽后，删除映射防止异步冲突的发生，并在加载数据存储区后重新创建映射：
mappingInFlightMiss[key]=true;
let f = function(res){
delete mapping[buf[ctrFound].key];
buf[ctrFound] = {data: res, visited:false, key:key, time:Date.now(), locked:false};
mapping[key] = ctrFound;
callback(buf[ctrFound].data);
delete mappingInFlightMiss[key];
};
loadData(key,f);
由于用户提供的缓存缺失数据存储加载功能（loadData）可以异步进行，所以该缓存在运行中最多可以包含N个缓存缺失，最多可以隐藏N个缓存未命中延迟。隐藏延迟是影响吞吐量高低的重要因素，这一点在web应用中尤为明显。一旦应用中出现了超过N个异步缓存未命中/访问就会导致死锁，因此具有100个插槽的缓存可以异步服务多达100个用户，甚至可以将其限制为比N更低的值（M），并在多次（K）遍中进行计算（其中M x K =总访问次数）。
我们都知道高速缓存命中就是RAM的速度，但因为高速缓存未命中可以隐藏，所以对于命中和未命中而言，总体性能看起来的时间复杂度都是O（1）。当插槽很少时，每个访问可能有多个时钟指针迭代，但如果增加插槽数时，它接近O（1）。
在此loadData回调中，将新插槽数据的locked字段设置为false，可以使该插槽用于其他异步访问。
- 如果存在命中，并且找到的插槽生命周期结束且已锁定，则访问操作setTimeout将0 time参数延迟到JavaScript消息队列的末尾。锁定操作（cache-miss）在setTimeout之前结束的概率为100％，就时间复杂度而言，仍算作具有较大的延迟的O（1），但它隐藏在锁定操作延迟的延迟的之后。
if(buf[mapping[key]].locked)
{
setTimeout(function(){
me.get(key,function(newData){
callback(newData);
});
},0);
}
- 最后，如果某个键处于进行中的高速缓存未命中映射中，则通过setTimeout将其推迟到消息队列的末尾：
if(key in mappingInFlightMiss)
{
setTimeout(function(){
me.get(key,function(newData){
callback(newData);
});
},0);
return;
}
这样，就可以避免数据的重复。
标杆管理
- 异步高速缓存未命中基准
"use strict";
// number of asynchronous accessors(1000 here) need to be equal to or less than
// cache size(1000 here) or it makes dead-lock
let Lru = require("./lrucache.js").Lru;
let cache = new Lru(1000, async function(key,callback){
// cache-miss data-load algorithm
setTimeout(function(){
callback(key+" processed");
},1000);
},1000 /* cache element lifetime */);
let ctr = 0;
let t1 = Date.now();
for(let i=0;i<1000;i++)
{
cache.get(i,function(data){
console.log("data:"+data+" key:"+i);
if(i.toString()+" processed" !== data)
{
console.log("error: wrong key-data mapping.");
}
if(++ctr === 1000)
{
console.log("benchmark: "+(Date.now()-t1)+" miliseconds");
}
});
}
为了避免死锁的出现，可以将LRU大小选择为1000，或者for只允许循环迭代1000次。
输出：
benchmark: 1127 miliseconds由于每个高速缓存未命中都有1000毫秒的延迟，因此同步加载1000个元素将花费15分钟，但是重叠的高速缓存未命中会更快。这在I / O繁重的工作负载（例如来自HDD或网络的流数据）中特别有用。
- 缓存命中率基准
10％的命中率：
密钥生成：随机，可能有10000个不同的值
1000个插槽
"use strict";
// number of asynchronous accessors(1000 here) need to be equal to or less than
// cache size(1000 here) or it makes dead-lock
let Lru = require("./lrucache.js").Lru;
let cacheMiss = 0;
let cache = new Lru(1000, async function(key,callback){
cacheMiss++;
// cache-miss data-load algorithm
setTimeout(function(){
callback(key+" processed");
},100);
},100000000 /* cache element lifetime */);
let ctr = 0;
let t1 = Date.now();
let asynchronity = 500;
let benchRepeat = 100;
let access = 0;
function test()
{
ctr = 0;
for(let i=0;i<asynchronity;i++)
{
let key = parseInt(Math.random()*10000,10); // 10% hit ratio
cache.get(key.toString(),function(data){
access++;
if(key.toString()+" processed" !== data)
{
console.log("error: wrong key-data mapping.");
}
if(++ctr === asynchronity)
{
console.log("benchmark: "+(Date.now()-t1)+" miliseconds");
console.log("cache hit: "+(access - cacheMiss));
console.log("cache miss: "+(cacheMiss));
console.log("cache hit ratio: "+((access - cacheMiss)/access));
if(benchRepeat>0)
{
benchRepeat--;
test();
}
}
});
}
}
test();
结果：
benchmark: 10498 miliseconds
cache hit: 6151
cache miss: 44349
cache hit ratio: 0.1218019801980198
由于基准测试是按100个步骤进行的，每个缓存丢失的延迟时间为100毫秒，因此产生了10秒的时间（接近100 x 100毫秒）。命中率接近预期值10％。
50％命中率测试
let key = parseInt(Math.random()*2000,10); // 50% hit ratio
Result:
benchmark: 10418 miliseconds
cache hit: 27541
cache miss: 22959
cache hit ratio: 0.5453663366336634
命中率测试
let key = parseInt(Math.random()*1010,10); // 99% hit ratio
Result:
benchmark: 10199 miliseconds
cache hit: 49156
cache miss: 1344
cache hit ratio: 0.9733861386138614
结果产生了0.9733比率的键的随机性
％命中率测试
let key = parseInt(Math.random()*999,10); // 100% hit ratio结果：
benchmark: 1463 miliseconds
cache hit: 49501
cache miss: 999
cache hit ratio: 0.9802178217821782
基准测试的第一步（无法逃避缓存未命中）之后，所有内容都来自RAM，并大大减少了总延迟。
总结：
文本详细介绍了NodeJS中LRU算法缓存的实现，希望可以为大家提供新的思路，更好的在开发中提升系统性能。
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