(2022.10.17 Mon)
LRU, Least Recently Used是一种页面置换算法(page replacement algorithm)，其应用包括Python内存管理和智能手机"最近任务"等场景。LRU将刚刚使用的任务提前，选择最久未使用的任务予以淘汰。
比如手机的最近任务浏览功能，你可以在这里看到按时间顺序排列的最近使用的功能，每次当点击某个app，其对应的图标就会出现在最近任务列表的第一位，其他已经保存的任务依次向后移动。
LRU_case.jpeg
LRU的实现
在了解了LRU的基本特征之后，这部分我们实现LRU。根据其特点描述，每个app/任务会在使用之后放置于整个LRU队列的最前端，其他任务向后移动。该部分可考虑使用队列(array)或链表(linked list)实现。
使用array实现，优势在于占用空间小且连续(考虑到链表的每个元素需要保存指向其他元素的指针)，访问元素只需要通过index即可实现，复杂度为常数时间；劣势在于当某任务被前置时，排名其后的所有元素都要向后移动，复杂度为。
使用linked list实现，优势在于其中元素的位置调整灵活，只需要调整前后指针，复杂度为；劣势在于占用空间相比array更多，比如每个元素需要包含指向其他元素的指针，访问元素需要从头开始遍历，最坏情况达到了。
然而在Linked list的实现中，可通过hash table的方式，将访问元素的复杂度从降为。
实现：Doubly Linked List
在双向链表中，每个元素保留向前和向后两个指针，为了hash table使用，也保留了key和element/value两个字段的信息。
该Python实现中提供了三个类，Node，doublyLinkedList和LRU，其中前两个是LRU类实现的基础。这里的hash table实现采用了Python的dict。
-
Node类：代表了每个任务/app，包含4个字段，key，value，previous pointer和next pointer。 -
doublyLinkedList类：双向链表，可实现删除点、尾部弹出、从头加入节点。 -
LRU类：包含两个方法，set和get，前者为加入新的任务/app，在加入该新的对象时，自动将其放在链表的头部，后者为访问特定任务/app，访问成功后将该对象置于链表的头部。
class Node:
"""
Node object, including 4 fields, i.e., key, value, previous&next pointer
"""
def __init__(self, key, value, prev=None, nex=None):
self._key = key
self._value = value
self._prev = prev
self._next = nex
class doublyLinkedList(object):
def __init__(self):
"""
head and tail work as placeholder
"""
self._head = Node(None, None)
self._tail = Node(None, None)
self._len = 0
def append_front(self, node):
"""
add a node to the front
"""
if self._len <= 0:
logging.info(f"""into append_front method: {node}""")
node._prev = self._head
node._next = self._tail
self._head._next = node
self._tail._prev = node
self._len += 1
return
old_head = self._head._next
self._head._next = node
node._prev = self._head
node._next = old_head
if old_head:
old_head._prev = node
self._len += 1
def remove(self, node):
"""
remove a node, update the pointers of prev&next nodes
"""
logging.info(f"""into remove method of DLL: {node}""")
logging.info(f"""prev pointer: {node._prev}""")
prev = node._prev
logging.info(f"""next pointer: {node._next}""")
nex = node._next
if node == self._head._next:
self._head._next = nex
if node == self._tail._prev:
self._tail._prev = prev
if prev:
prev._next = nex
if nex:
nex._prev = prev
node._prev = None
node._next = None
self._len -= 1
return node
def pop_tail(self):
"""
remove last node in the list
"""
tail = self._tail._prev
if not tail:
return tail
prev_tail = tail._prev
self._tail = prev_tail
self._len -= 1
if prev_tail:
prev_tail._next = self._tail
return tail
class LRU():
"""
LRU is based on doubly linked list, setup capacity though
"""
def __init__(self, capacity=5):
self._capacity = capacity
self._keys = {}
self._list = doublyLinkedList()
def set(self, key, value):
"""
add a new node/element
"""
if key in self._keys:
logging.info(f"""key exists in the hash table: {key}""")
node = self._keys[key]
node._value = value
logging.info(f"""about to conduct remove and append_front operation: {key}""")
logging.info(f"""remove first: {key}""")
r_node = self._list.remove(node)
logging.info(f"""append front follows: {key}""")
self._list.append_front(r_node)
print(self._list._len, self._list)
return f"""{key} updated: {value}"""
if self._list._len >= self._capacity:
p_node = self._list.pop_tail()
if p_node:
del self._keys[p_node._key]
del p_node
logging.info(f"""about to add new key to the hash map: {key}""")
node = Node(key, value)
self._keys[key] = node
logging.info(f"""conduct append_front operation: {key}""")
self._list.append_front(node)
print("SET - key: %s, value: %s" % (key, value))
print("length: ", self._list._len, ", head:", self._list._head._next._value)
def get(self, key):
"""
access to an existing node in the list
"""
if key not in self._keys:
return None
logging.info(f"""get method: key {key} in the list""")
node = self._keys[key]
logging.info(f"""get method: conduct remove and append_front operations""")
r_node = self._list.remove(node)
self._list.append_front(r_node)
print("GET - key: %s, value: %s" % (key, node._value))
return node._value
运行 查看过程
if __name__ == '__main__':
format = "%(asctime)s: %(message)s"
logging.basicConfig(format=format, level=logging.INFO)
lru = LRU(3)
lru.set('name', 'jeff')
lru.set('gender', 'male')
lru.set('age', 39)
lru.set('location', 'Hong Kong')
lru.get('age')
# lru.set
print('lru keys: ', lru._keys)
print('lru list: ', lru._list)
实现：Redis
Redis提供了LRU的实现方案。
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