4，缓存淘汰算法--LRU算法(java代码实现)

什么是缓存淘汰有那些
1.FIFO：First In First Out，先进先出。判断被存储的时间，离目前最远的数据优先被淘汰。
2.LRU：Least Recently Used，最近最少使用。判断最近被使用的时间，目前最远的数据优先被淘汰。
3.LFU：Least Frequently Used，最不经常使用。在一段时间内，数据被使用次数最少的，优先被淘汰。
linkedHashmap与HashMap的区别

HashMap存放数据是无序的，LinkedHashMap是有序的，可以分为插入或者访问顺序两种，采用双链表的形式保证有序。

package com.taotao.mayikt_lru;

import java.util.HashMap;
import java.util.LinkedHashMap;

/**
 *@author tom
 *Date  2020/6/15 0015 21:49
 *
 */
public class Test001 {
    public static void main(String[] args) {
      /*  HashMap hashMap =new HashMap<>();
        for (int i = 0; i <30 ; i++) {
            hashMap.put(i+"",i+"");

        }
        hashMap.forEach((k,v)-> System.out.println(k+""+v+""));*/
        LinkedHashMap linkedHashMap=new LinkedHashMap<>();
        for (int i = 0; i <20 ; i++) {
            linkedHashMap.put(i+"",i+"");
        }
        linkedHashMap.forEach((k,v)->{
            System.out.println(k+"  "+v);
        });


    }
}

LRU
原理
LRU（Least recently used，最近最少使用）算法根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是“如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高”。

image.png

实现1
最常见的实现是使用一个链表保存缓存数据，详细算法实现如下：

新数据插入到链表头部；
每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到链表头部；
当链表满的时候，将链表尾部的数据丢弃。
分析
【命中率】
当存在热点数据时，LRU的效率很好，但偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降，缓存污染情况比较严重。
【复杂度】
实现简单。
【代价】
命中时需要遍历链表，找到命中的数据块索引，然后需要将数据移到头部。

import java.util.ArrayList;  
import java.util.Collection;  
import java.util.LinkedHashMap;  
import java.util.concurrent.locks.Lock;  
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
import java.util.Map;  


/** 
 * 类说明：利用LinkedHashMap实现简单的缓存， 必须实现removeEldestEntry方法，具体参见JDK文档 
 *  
 * @author dennis 
 *  
 * @param  
 * @param  
 */ 
public class LRULinkedHashMap extends LinkedHashMap {  
    private final int maxCapacity;  

    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;  

    private final Lock lock = new ReentrantLock();  

    public LRULinkedHashMap(int maxCapacity) {  
        super(maxCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR, true);  
        this.maxCapacity = maxCapacity;  
    }  

    @Override 
    protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry eldest) {  
        return size() > maxCapacity;  
    }  
    @Override 
    public boolean containsKey(Object key) {  
        try {  
            lock.lock();  
            return super.containsKey(key);  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  


    @Override 
    public V get(Object key) {  
        try {  
            lock.lock();  
            return super.get(key);  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  

    @Override 
    public V put(K key, V value) {  
        try {  
            lock.lock();  
            return super.put(key, value);  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  

    public int size() {  
        try {  
            lock.lock();  
            return super.size();  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  

    public void clear() {  
        try {  
            lock.lock();  
            super.clear();  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  

    public Collection> getAll() {  
        try {  
            lock.lock();  
            return new ArrayList>(super.entrySet());  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  

}

实现2
LRUCache的链表+HashMap实现

传统意义的LRU算法是为每一个Cache对象设置一个计数器，每次Cache命中则给计数器+1，而Cache用完，需要淘汰旧内容，放置新内容时，就查看所有的计数器，并将最少使用的内容替换掉。

它的弊端很明显，如果Cache的数量少，问题不会很大，但是如果Cache的空间过大，达到10W或者100W以上，一旦需要淘汰，则需要遍历所有计算器，其性能与资源消耗是巨大的。效率也就非常的慢了。
它的原理：将Cache的所有位置都用双连表连接起来，当一个位置被命中之后，就将通过调整链表的指向，将该位置调整到链表头的位置，新加入的Cache直接加到链表头中。
这样，在多次进行Cache操作后，最近被命中的，就会被向链表头方向移动，而没有命中的，而想链表后面移动，链表尾则表示最近最少使用的Cache。
当需要替换内容时候，链表的最后位置就是最少被命中的位置，我们只需要淘汰链表最后的部分即可。
上面说了这么多的理论，下面用代码来实现一个LRU策略的缓存。
非线程安全，若实现安全，则在响应的方法加锁。

image.png

import java.util.HashMap;
import java.util.Map.Entry;
import java.util.Set;


public class LRUCache {

    private int currentCacheSize;
    private int CacheCapcity;
    private HashMap caches;
    private CacheNode first;
    private CacheNode last;

    public LRUCache(int size){
        currentCacheSize = 0;
        this.CacheCapcity = size;
        caches = new HashMap(size);
    }

    public void put(K k,V v){
        CacheNode node = caches.get(k);
        if(node == null){
            if(caches.size() >= CacheCapcity){

                caches.remove(last.key);
                removeLast();
            }
            node = new CacheNode();
            node.key = k;
        }
        node.value = v;
        moveToFirst(node);
        caches.put(k, node);
    }

    public Object  get(K k){
        CacheNode node = caches.get(k);
        if(node == null){
            return null;
        }
        moveToFirst(node);
        return node.value;
    }

    public Object remove(K k){
        CacheNode node = caches.get(k);
        if(node != null){
            if(node.pre != null){
                node.pre.next=node.next;
            }
            if(node.next != null){
                node.next.pre=node.pre;
            }
            if(node == first){
                first = node.next;
            }
            if(node == last){
                last = node.pre;
            }
        }

        return caches.remove(k);
    }

    public void clear(){
        first = null;
        last = null;
        caches.clear();
    }



    private void moveToFirst(CacheNode node){
        if(first == node){
            return;
        }
        if(node.next != null){
            node.next.pre = node.pre;
        }
        if(node.pre != null){
            node.pre.next = node.next;
        }
        if(node == last){
            last= last.pre;
        }
        if(first == null || last == null){
            first = last = node;
            return;
        }

        node.next=first;
        first.pre = node;
        first = node;
        first.pre=null;

    }

    private void removeLast(){
        if(last != null){
            last = last.pre;
            if(last == null){
                first = null;
            }else{
                last.next = null;
            }
        }
    }
    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        CacheNode node = first;
        while(node != null){
            sb.append(String.format("%s:%s ", node.key,node.value));
            node = node.next;
        }

        return sb.toString();
    }

    class CacheNode{
        CacheNode pre;
        CacheNode next;
        Object key;
        Object value;
        public CacheNode(){

        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        LRUCache lru = new LRUCache(3);

        lru.put(1, "a");    // 1:a
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(2, "b");    // 2:b 1:a 
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(3, "c");    // 3:c 2:b 1:a 
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(4, "d");    // 4:d 3:c 2:b  
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(1, "aa");   // 1:aa 4:d 3:c  
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(2, "bb");   // 2:bb 1:aa 4:d
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(5, "e");    // 5:e 2:bb 1:aa
        System.out.println(lru.toString());
        lru.get(1);         // 1:aa 5:e 2:bb
        System.out.println(lru.toString());
        lru.remove(11);     // 1:aa 5:e 2:bb
        System.out.println(lru.toString());
        lru.remove(1);      //5:e 2:bb
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(1, "aaa");  //1:aaa 5:e 2:bb
        System.out.println(lru.toString());
    }

}

package com.taotao.mayikt_lru;

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;

/**
 *@author tom
 *Date  2020/6/15 0015 22:06
 *
 */
public class LruCahceextends LinkedHashMap {
    /**
     * 容量
     */
    private  int capacity;
    public  LruCahce(int capacity){
        super(16,0.75f,true);
        this.capacity=capacity;
    }

    /**
     * 如果长度 > capacity 则会清除第一个key
     * @param eldest
     * @return
     */
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
        if(size()>capacity){
            System.out.println("超出HashMap 已经定的大小");
        }
        return  size()>capacity;

    }

    public static void main(String[] args) {
        LruCahce lruCahce=new LruCahce(3);
        lruCahce.put("a","meite");
        lruCahce.put("b","meite");
        lruCahce.put("c","meite");
             lruCahce.get("a");

        lruCahce.put("e","meite");
        lruCahce.forEach((k,v)->{
            System.out.println(k+","+v);
        });
    }
}

"C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\bin\java.exe" "-javaagent:D:\program\idea\IntelliJ IDEA 2020.1\lib\idea_rt.jar=52775:D:\program\idea\IntelliJ IDEA 2020.1\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar;F:\works\2020\mayiketang\7\mayikt_lru\target\classes;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\boot\spring-boot-starter-web\2.3.1.RELEASE\spring-boot-starter-web-2.3.1.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\boot\spring-boot-starter\2.3.1.RELEASE\spring-boot-starter-2.3.1.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\boot\spring-boot\2.3.1.RELEASE\spring-boot-2.3.1.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\boot\spring-boot-autoconfigure\2.3.1.RELEASE\spring-boot-autoconfigure-2.3.1.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\boot\spring-boot-starter-logging\2.3.1.RELEASE\spring-boot-starter-logging-2.3.1.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\ch\qos\logback\logback-classic\1.2.3\logback-classic-1.2.3.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\ch\qos\logback\logback-core\1.2.3\logback-core-1.2.3.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\apache\logging\log4j\log4j-to-slf4j\2.13.3\log4j-to-slf4j-2.13.3.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\apache\logging\log4j\log4j-api\2.13.3\log4j-api-2.13.3.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\slf4j\jul-to-slf4j\1.7.30\jul-to-slf4j-1.7.30.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\jakarta\annotation\jakarta.annotation-api\1.3.5\jakarta.annotation-api-1.3.5.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\yaml\snakeyaml\1.26\snakeyaml-1.26.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\boot\spring-boot-starter-json\2.3.1.RELEASE\spring-boot-starter-json-2.3.1.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\com\fasterxml\jackson\core\jackson-databind\2.11.0\jackson-databind-2.11.0.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\com\fasterxml\jackson\core\jackson-annotations\2.11.0\jackson-annotations-2.11.0.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\com\fasterxml\jackson\core\jackson-core\2.11.0\jackson-core-2.11.0.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\com\fasterxml\jackson\datatype\jackson-datatype-jdk8\2.11.0\jackson-datatype-jdk8-2.11.0.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\com\fasterxml\jackson\datatype\jackson-datatype-jsr310\2.11.0\jackson-datatype-jsr310-2.11.0.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\com\fasterxml\jackson\module\jackson-module-parameter-names\2.11.0\jackson-module-parameter-names-2.11.0.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\boot\spring-boot-starter-tomcat\2.3.1.RELEASE\spring-boot-starter-tomcat-2.3.1.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\apache\tomcat\embed\tomcat-embed-core\9.0.36\tomcat-embed-core-9.0.36.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\glassfish\jakarta.el\3.0.3\jakarta.el-3.0.3.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\apache\tomcat\embed\tomcat-embed-websocket\9.0.36\tomcat-embed-websocket-9.0.36.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-web\5.2.7.RELEASE\spring-web-5.2.7.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-beans\5.2.7.RELEASE\spring-beans-5.2.7.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-webmvc\5.2.7.RELEASE\spring-webmvc-5.2.7.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-aop\5.2.7.RELEASE\spring-aop-5.2.7.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-context\5.2.7.RELEASE\spring-context-5.2.7.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-expression\5.2.7.RELEASE\spring-expression-5.2.7.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\slf4j\slf4j-api\1.7.30\slf4j-api-1.7.30.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-core\5.2.7.RELEASE\spring-core-5.2.7.RELEASE.jar;C:\Users\Administrator\.m2\repository\org\springframework\spring-jcl\5.2.7.RELEASE\spring-jcl-5.2.7.RELEASE.jar" com.taotao.mayikt_lru.LruCahce
超出HashMap 已经定的大小
c,meite
a,meite
e,meite

Process finished with exit code 0

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