java数据结构与算法总结(三十五)--LRU算法原理及其实现

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LRU是什么

现代计算机，内存仍是相当昂贵的，那么如果利用好、管理好有限的内存，来为用户提供更好的性能，是一个有意义的议题。

LRU(Least Recently Used) 即最近最少使用，属于典型的内存淘汰机制。

通俗的说，LRU算法认为，最近被频繁访问的数据会具备更高的留存，淘汰那些不常被访问的数据。

LRU算法实现思路

根据LRU算法的理念，我们需要：

一个参数cap来作为最大容量

一种数据结构来存储数据，并且需要1. 轻易地更新最新的访问的数据。2. 轻易地找出最近最少被使用的数据，当到达cap时，清理掉。

在这里，我们用到的数据结构是：hashmap+双向链表。

1.利用hashmap的get、put方法O(1)的时间复杂度，快速取、存数据。

2.利用doublelinkedlist的特征（可以访问到某个节点之前和之后的节点），实现O(1)的新增和删除数据。

如下图所示：

 

当key2再次被使用时，它所对应的node3被更新到链表头部。

 

假设cap=3，当key4创建、被访问后，处于链表尾部的node2将被淘汰，key1将被清楚。

LRU的简单实现

节点node,存放key、val值、前节点、后节点

class Node{
    public int key;
    public int val;
    public Node next;
    public Node previous;

    public Node() {
    }

    public Node(int key, int val) {
        this.key = key;
        this.val = val;
    }
}

双向链表，属性有size、头节点、尾节点。

提供api：

• addFirst(): 头插法入链表
• remove(): 删除最后一个节点
• remove(Node node):删除特定节点
• size()：获取链表长度

class DoubleList{
    private int size;
    private Node head;
    private Node tail;

    public DoubleList() {
        this.head = new Node();
        this.tail = new Node();
        size = 0;
        head.next = tail;
        tail.previous = head;
    }

    public void addFirst(Node node){
        Node temp = head.next;
        head.next = node;
        node.previous = head;
        node.next = temp;
        temp.previous = node;
        size++;
    }

    public void remove(Node node){
        if(null==node|| node.previous==null|| node.next==null){
            return;
        }

        node.previous.next = node.next;
        node.next.previous = node.previous;
        node.next=null;
        node.previous=null;
        size--;
    }

    public void remove(){
        if(size<=0) return;
        Node temp = tail.previous;
        temp.previous.next = temp.next;
        tail.previous = temp.previous;
        temp.next = null;
        temp.previous=null;
        size--;
    }

    public int size(){
        return size;
    }
}

 

LRU算法实现类

API

• get(int key): 为null返回-1
• put(int key, int value)若map中有，删除原节点，增加新节点若map中没有，map和链表中新增新数据。

public class LRUCache {

    Map map;
    DoubleList cache;
    int cap;


    public LRUCache(int cap) {
        map = new HashMap<>();
        cache = new DoubleList();
        this.cap = cap;
    }

    public int get(int key){
        Node node = map.get(key);
        return  node==null? -1:node.val;

    }

    public void put(int key, int val){
        Node node = new Node(key,val);
        if(map.get(key)!=null){
            cache.remove(map.get(key));
            cache.addFirst(node);
            map.put(key,node);
            return;
        }

        map.put(key,node);
        cache.addFirst(node);
        if(cache.size()>cap){
            cache.remove();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        //test, cap = 3
        LRUCache lruCache = new LRUCache(3);
        lruCache.put(1,1);
        lruCache.put(2,2);
        lruCache.put(3,3);
        //<1,1>来到链表头部
        lruCache.put(1,1);
        //<4,4>来到链表头部， <2,2>被淘汰。
        lruCache.put(4,4);
    }

}

LRU应用场景

• 底层的内存管理，页面置换算法
• 一般的缓存服务，memcache\redis之类
• 部分业务场景

参考

LRU 策略详解和实现

LRU原理以及应用场景

作者:ZzAllenZz

出处:https://segmentfault.com/a/1190000039256321