浅谈Java如何实现一个基于LRU时间复杂度为O(1)的缓存

2023-07-19 09:29:03 68

LRU：LeastRecentlyUsed最近最少使用，当缓存容量不足时，先淘汰最近最少使用的数据。就像JVM垃圾回收一样，希望将存活的对象移动到内存的一端，然后清除其余空间。

缓存基本操作就是读、写、淘汰删除。

读操作时间复杂度为O(1)的那就是hash操作了，可以使用HashMap索引key。

写操作时间复杂度为O(1)，使用链表结构，在链表的一端插入节点，是可以完成O(1)操作，但是为了配合读，还要再次将节点放入HashMap中，put操作最优是O(1)，最差是O(n)。

不少童鞋就有疑问了，写入时又使用map进行了put操作，为何缓存不直接使用map？没错，首先使用map存储了节点数据就是采用空间换时间，但是淘汰删除不好处理，使用map如何去记录最近最少使用(涉及到时间、频次问题)。so，使用链表可以将活跃节点移动到链表的一端，淘汰时直接从另一端进行删除。

publicclassLruCache{
	/**这里简单点直接初始化了*/
privateintcapacity=2;
privateintsize=0;
privateHashMap>cache=newHashMap<>(capacity);
privateDoubleListNodelruNode=newDoubleListNode(null,null,null,null);
privateDoubleListNodemruNode=newDoubleListNode(null,null,null,null);

publicVget(Kkey){
DoubleListNodetarget=cache.get(key);
if(target==null){
returnnull;
}
/**使用过就移动到右侧*/
move2mru(target);
returntarget.value;
}

publicvoidput(Kkey,Vvalue){
if(cache.containsKey(key)){
DoubleListNodetemp=cache.get(key);
temp.value=value;
/**使用过就移动到右侧*/
move2mru(temp);
return;
}

		/**容量满了清除左侧*/
if(size>=capacity){
evict4lru();
}
DoubleListNodenewNode=newDoubleListNode<>(mruNode,null,key,value);
if(size==0){
lruNode.next=newNode;
}
mruNode.next=newNode;
mruNode=newNode;
cache.put(key,newNode);
size++;
}

privatevoidmove2mru(DoubleListNodenewMru){
DoubleListNodepre=newMru.pre;
DoubleListNodenext=newMru.next;
pre.next=next;
newMru.pre=mruNode;
mruNode.next=newMru;
mruNode=newMru;
}

privatevoidevict4lru(){
	cache.remove(lruNode.next.key);
lruNode.next=lruNode.next.next;
size--;
}

publicStringtoString(){
StringBuffersb=newStringBuffer("lru->");
DoubleListNodetemp=lruNode;
while(temp!=null){
sb.append(temp.key).append(":").append(temp.value);
sb.append("->");
temp=temp.next;
}
sb.append("->mru");
returnsb.toString();
}

publicstaticvoidmain(String[]args){
LruCachecache=newLruCache<>();
cache.put("1","1");
System.out.println(cache);
cache.get("1");
cache.put("2","2");
System.out.println(cache);
cache.put("3","3");
System.out.println(cache);
cache.put("4","4");
System.out.println(cache);
}
}

classDoubleListNode{
Kkey;
Vvalue;
DoubleListNodepre;
DoubleListNodenext;

publicDoubleListNode(Kkey,Vvalue){
this.key=key;
this.value=value;
}

publicDoubleListNode(DoubleListNodepre,DoubleListNodenext,Kkey,Vvalue){
this.pre=pre;
this.next=next;
this.key=key;
this.value=value;
}
}

这里使用链表，及HashMap完成了基于LRU的缓存，其中HashMap主要用来快速索引key，链表用来完成LRU机制。当然尚有许多不足，包括缓存移除remove，缓存ttl，线程安全等。

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