缓存算法（页面置换算法）-FIFO、LFU、LRU

1.FIFO算法

　　FIFO（First in First out），先进先出。其实在操作系统的设计理念中很多地方都利用到了先进先出的思想，比如作业调度（先来先服务），为什么这个原则在很多地方都会用到呢？因为这个原则简单、且符合人们的惯性思维，具备公平性，并且实现起来简单，直接使用数据结构中的队列即可实现。

　　在FIFO Cache设计中，核心原则就是：如果一个数据最先进入缓存中，则应该最早淘汰掉。也就是说，当缓存满的时候，应当把最先进入缓存的数据给淘汰掉。在FIFO Cache中应该支持以下操作;

　　get(key)：如果Cache中存在该key，则返回对应的value值，否则，返回-1；

　　set(key,value)：如果Cache中存在该key，则重置value值；如果不存在该key，则将该key插入到到Cache中，若Cache已满，则淘汰最早进入Cache的数据。

　　举个例子：假如Cache大小为3，访问数据序列为set(1,1),set(2,2),set(3,3),set(4,4),get(2),set(5,5)

　　则Cache中的数据变化为：

　　(1,1)                               set(1,1)

　　(1,1) (2,2)                       set(2,2)

　　(1,1) (2,2) (3,3)               set(3,3)

　　(2,2) (3,3) (4,4)               set(4,4)

　　(2,2) (3,3) (4,4)               get(2)

　　(3,3) (4,4) (5,5)               set(5,5)

 　　那么利用什么数据结构来实现呢？

　　下面提供一种实现思路：

　　利用一个双向链表保存数据，当来了新的数据之后便添加到链表末尾，如果Cache存满数据，则把链表头部数据删除，然后把新的数据添加到链表末尾。在访问数据的时候，如果在Cache中存在该数据的话，则返回对应的value值；否则返回-1。如果想提高访问效率，可以利用hashmap来保存每个key在链表中对应的位置。

2.LFU算法

　　LFU（Least Frequently Used）最近最少使用算法。它是基于“如果一个数据在最近一段时间内使用次数很少，那么在将来一段时间内被使用的可能性也很小”的思路。

　　注意LFU和LRU算法的不同之处，LRU的淘汰规则是基于访问时间，而LFU是基于访问次数的。举个简单的例子：

　　假设缓存大小为3，数据访问序列为set(2,2),set(1,1),get(2),get(1),get(2),set(3,3),set(4,4)，

　　则在set(4,4)时对于LFU算法应该淘汰(3,3)，而LRU应该淘汰(1,1)。

　　那么LFU Cache应该支持的操作为：

　　get(key)：如果Cache中存在该key，则返回对应的value值，否则，返回-1；

　　set(key,value)：如果Cache中存在该key，则重置value值；如果不存在该key，则将该key插入到到Cache中，若Cache已满，则淘汰最少访问的数据。

　　为了能够淘汰最少使用的数据，因此LFU算法最简单的一种设计思路就是 利用一个数组存储 数据项，用hashmap存储每个数据项在数组中对应的位置，然后为每个数据项设计一个访问频次，当数据项被命中时，访问频次自增，在淘汰的时候淘汰访问频次最少的数据。这样一来的话，在插入数据和访问数据的时候都能达到O(1)的时间复杂度，在淘汰数据的时候，通过选择算法得到应该淘汰的数据项在数组中的索引，并将该索引位置的内容替换为新来的数据内容即可，这样的话，淘汰数据的操作时间复杂度为O(n)。

　　另外还有一种实现思路就是利用 小顶堆+hashmap，小顶堆插入、删除操作都能达到O(logn)时间复杂度，因此效率相比第一种实现方法更加高效。

　　如果哪位朋友有更高效的实现方式（比如O(1)时间复杂度），不妨探讨一下，不胜感激。

3.LRU算法

LRU算法的设计原则是：如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么在将来它被访问的可能性也很小。也就是说，当限定的空间已存满数据时，应当把最久没有被访问到的数据淘汰。

 

而用什么数据结构来实现LRU算法呢？可能大多数人都会想到：用一个数组来存储数据，给每一个数据项标记一个访问时间戳，每次插入新数据项的时候，先把数组中存在的数据项的时间戳自增，并将新数据项的时间戳置为0并插入到数组中。每次访问数组中的数据项的时候，将被访问的数据项的时间戳置为0。当数组空间已满时，将时间戳最大的数据项淘汰。

　　这种实现思路很简单，但是有什么缺陷呢？需要不停地维护数据项的访问时间戳，另外，在插入数据、删除数据以及访问数据时，时间复杂度都是O(n)。

　　那么有没有更好的实现办法呢？

　　那就是利用链表和hashmap。当需要插入新的数据项的时候，如果新数据项在链表中存在（一般称为命中），则把该节点移到链表头部，如果不存在，则新建一个节点，放到链表头部，若缓存满了，则把链表最后一个节点删除即可。在访问数据的时候，如果数据项在链表中存在，则把该节点移到链表头部，否则返回-1。这样一来在链表尾部的节点就是最近最久未访问的数据项。

　　总结一下：根据题目的要求，LRU Cache具备的操作：

　　1）set(key,value)：如果key在hashmap中存在，则先重置对应的value值，然后获取对应的节点cur，将cur节点从链表删除，并移动到链表的头部；若果key在hashmap不存在，则新建一个节点，并将节点放到链表的头部。当Cache存满的时候，将链表最后一个节点删除即可。

　　2）get(key)：如果key在hashmap中存在，则把对应的节点放到链表头部，并返回对应的value值；如果不存在，则返回-1。