漫画学算法：什么是LRU算法？

后端技术探索

发布于 2019-07-19 18:44:11

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发布于 2019-07-19 18:44:11

文章被收录于专栏：后端技术探索

本文转自公众号程序员小灰，本期封面作者：A17

————— 两个月前 —————

用户信息当然是存在数据库里。但是由于我们对用户系统的性能要求比较高，显然不能每一次请求都去查询数据库。

所以，小灰在内存中创建了一个哈希表作为缓存，每次查找一个用户的时候先在哈希表中查询，以此提高访问性能。

很快，用户系统上线了，小灰美美地休息了几天。

一个多月之后......

———————————————

什么是哈希链表呢？

我们都知道，哈希表是由若干个Key-Value所组成。在“逻辑”上，这些Key-Value是无所谓排列顺序的，谁先谁后都一样。

在哈希链表当中，这些Key-Value不再是彼此无关的存在，而是被一个链条串了起来。每一个Key-Value都具有它的前驱Key-Value、后继Key-Value，就像双向链表中的节点一样。

这样一来，原本无序的哈希表拥有了固定的排列顺序。

让我们以用户信息的需求为例，来演示一下LRU算法的基本思路：

1.假设我们使用哈希链表来缓存用户信息，目前缓存了4个用户，这4个用户是按照时间顺序依次从链表右端插入的。

2.此时，业务方访问用户5，由于哈希链表中没有用户5的数据，我们从数据库中读取出来，插入到缓存当中。这时候，链表中最右端是最新访问到的用户5，最左端是最近最少访问的用户1。

3.接下来，业务方访问用户2，哈希链表中存在用户2的数据，我们怎么做呢？我们把用户2从它的前驱节点和后继节点之间移除，重新插入到链表最右端。这时候，链表中最右端变成了最新访问到的用户2，最左端仍然是最近最少访问的用户1。

4.接下来，业务方请求修改用户4的信息。同样道理，我们把用户4从原来的位置移动到链表最右侧，并把用户信息的值更新。这时候，链表中最右端是最新访问到的用户4，最左端仍然是最近最少访问的用户1。

5.后来业务方换口味了，访问用户6，用户6在缓存里没有，需要插入到哈希链表。假设这时候缓存容量已经达到上限，必须先删除最近最少访问的数据，那么位于哈希链表最左端的用户1就会被删除掉，然后再把用户6插入到最右端。

以上，就是LRU算法的基本思路。

private Node head;
private Node end;
//缓存存储上限
private int limit;


private HashMap<String, Node> hashMap;


public LRUCache(int limit) {
    this.limit = limit;
    hashMap = new HashMap<String, Node>();
}


public String get(String key) {
    Node node = hashMap.get(key);
    if (node == null){
        return null;
    }
    refreshNode(node);
    return node.value;
}


public void put(String key, String value) {
    Node node = hashMap.get(key);
    if (node == null) {
        //如果key不存在，插入key-value
        if (hashMap.size() >= limit) {
            String oldKey = removeNode(head);
            hashMap.remove(oldKey);
        }
        node = new Node(key, value);
        addNode(node);
        hashMap.put(key, node);
    }else {
        //如果key存在，刷新key-value
        node.value = value;
        refreshNode(node);
    }
}


public void remove(String key) {
    Node node = hashMap.get(key);
    removeNode(node);
    hashMap.remove(key);
}


/**
 * 刷新被访问的节点位置
 * @param  node 被访问的节点
 */
private void refreshNode(Node node) {
    //如果访问的是尾节点，无需移动节点
    if (node == end) {
        return;
    }
    //移除节点
    removeNode(node);
    //重新插入节点
    addNode(node);
}


/**
 * 删除节点
 * @param  node 要删除的节点
 */ 
private String removeNode(Node node) {
    if (node == end) {
        //移除尾节点
        end = end.pre;
    }else if(node == head){
        //移除头节点
        head = head.next;
    } else {
        //移除中间节点
        node.pre.next = node.next;
        node.next.pre = node.pre;
    }
    return node.key;
}


/**
 * 尾部插入节点
 * @param  node 要插入的节点
 */
private void addNode(Node node) {
    if(end != null) {
        end.next = node;
        node.pre = end;
        node.next = null;
    }
    end = node;
    if(head == null){
        head = node;
    }
}


class Node {
    Node(String key, String value){
        this.key = key;
        this.value = value;
    }
    public Node pre;
    public Node next;
    public String key;
    public String value;
}


public static void main(String[] args) {
    LRUCache lruCache = new LRUCache(5);
    lruCache.put("001", "用户1信息");
    lruCache.put("002", "用户1信息");
    lruCache.put("003", "用户1信息");
    lruCache.put("004", "用户1信息");
    lruCache.put("005", "用户1信息");
    lruCache.get("002");
    lruCache.put("004", "用户2信息更新");
    lruCache.put("006", "用户6信息");
    System.out.println(lruCache.get("001"));
    System.out.println(lruCache.get("006"));
}

需要注意的是，这段不是线程安全的，要想做到线程安全，需要加上synchronized修饰符。