LRU缓存淘汰策略实现

一般来说，对于经常被访问的数据，希望可以快速的返回给访问者，采用内存进行缓存就是很好的方式，直接访问内存中已缓存的数据可以被更快的被访问到，分布式中常用的缓存Ehcache,Redis等等；下面介绍几种缓存中常用的缓存淘汰策略：

• FIFO：First In First Out，先进先出：判断存储时间，排队伍尾部（长时间未用）的先被淘汰；
• LFU: Least Frequently Used，最近最少使用，被使用次数最少的缓存先被淘汰；
• LRU：Least Recently Used，最近最少被使用的，就是淘汰长时间未用的数据，一般用过的数据会进行更新到前排，认为是常用的数据；
• LRU缓存机制的实现，采用的是HashMap+DoubleLinkedList，采用Map是其查找数据的O(1)复杂度，而更新删除和插入数据采用双向链表可以快速进行定位操作，使用 key 和 value 作为双向链表的节点，在双向链表的头部添加该节点，并将 key 和该节点添加进哈希表中，我们首先使用哈希表进行定位，找出缓存项在双向链表中的位置，随后将其移动到双向链表的头部，即可在 O(1) 的时间内完成 get 或者 put 操作，具体的方法如下：
• 哈希表即为普通的哈希映射（HashMap），通过缓存数据的键映射到其在双向链表中的位置。
• 双向链表按照被使用的顺序存储了这些键值对，靠近头部的键值对是最近使用的，而靠近尾部的键值对是最久未使用的。
• 对于 get 操作，首先判断 key 是否存在：
  1.若 key 不存在，则返回−1；
  2.若 key 存在，则 key 对应的节点是最近被使用的节点，通过哈希表定位到该节点在双 向链表中的位置，并将其移动到双向链表的头部，最后返回该节点的值。
• 对于 put 操作，首先判断 key 是否存在：
  1.若 key 不存在，使用 key 和 value 创建一个新的节点，在双向链表的头部添加该节点，并将 key 和该节点添加进哈希表中。然后判断双向链表的节点数是否超出容量，如果超出容量，则删除双向链表的尾部节点，并删除哈希表中对应的项；
  2.若 key 存在，则与 get 操作类似，先通过哈希表定位，再将对应的节点的值更新为 value，并将该节点移到双向链表的头部。
• 上述各项操作中，访问哈希表的时间复杂度为 O(1)，在双向链表的头部添加节点、在双向链表的尾部删除节点的复杂度也为 O(1)。
• 需要注意的是，在创建双向链表时设置了一个头结点first和一个尾结点last作为哨兵节点，为了更好地进行更新等操作，first后面指向的就是第一个节点，last前面指向的就是最后一个节点，这样在插入和删除时便可以写出逻辑，一般插入在第一个节点前面插入，而删除最后一个节点即可。
• 使用双向链表+HashMap实现O(1)复杂度如下：

					package Threadtest;
					import java.util.HashMap;
					import java.util.Map;
					/**
					 * @Description:
					 * @Author:sds
					 * @Create 缓存过期策略LRU的实现，将HashMap的value作为双向链表的node进行存储，node.val；
					 * #@Version:1.0
					 */
					public class LRUCache {
					
					    // 双向链表结点，注意key也要存放，删除最不常用值时要用到key，使用key删除map中的记录
					    class Node{
					        int val;
					        int key;
					        Node prev;
					        Node next;
					
					        Node(int key, int val){
					            this.key = key;
					            this.val = val;
					        }
					        private void remove(Node node){
					            node.next.prev = node.prev;
					            node.prev.next = node.next;
					        }
					
					        private void addFirst(Node node){
					            node.next = first.next;
					            node.prev = first;
					            first.next.prev = node;
					            first.next = node;
					        }
					        private void moveToFirst(Node node){
					            remove(node);
					            addFirst(node);
					        }
					    }
					
					    // 缓存容量
					    int capacity;
					    // 当前缓存数量
					    int size;
					    // 两个哑结点，分别指向双向链表的头和尾结点
					    Node first;
					    Node last;
					    // 以关键字为key，结点为value
					    Map<Integer, Node> map;
					
					    // 初始化一系列参数
					    public LRUCache(int capacity) {
					        this.capacity = capacity;
					        size = 0;
					        first = new Node(0, 0);
					        last = new Node(0, 0);
					        // 构成初始的双向链表
					        first.next = last;
					        last.prev = first;
					        map = new HashMap<>();
					    }
					
					    // 如果当前链表中包含key缓存，从map中取出对应的结点，并把该结点移动到链表头
					    public int get(int key) {
					        if(map.containsKey(key)){
					            Node node = map.get(key);
					            moveToFirst(node);
					            return node.val;
					        }
					        return -1;
					    }
					
					    public void put(int key, int value) {
					        // 如果缓存存在，修改key对应的结点中的val值，并把该结点移动到链表头
					        if(map.containsKey(key)){
					            Node node = map.get(key);
					            node.val = value;
					            moveToFirst(node);
					        }else{
					            // 如果不存在，判断当前缓存数量是否超出容量，如果超出，先删除掉map中的记录
					            // 然后在删除处于链表尾部的结点
					            if(size >= capacity){
					                Node node = last.prev;
					                map.remove(node.key);
					                size--;
					                remove(node);
					            }
					            // 如果没超出缓存容量，创建一个新结点放到链表头
					            Node node = new Node(key, value);
					            map.put(key, node);
					            size++;
					            addFirst(node);
					        }
					    }
					
					    // 将结点node从双向链表中移除的方法
					    private void remove(Node node){
					        node.next.prev = node.prev;
					        node.prev.next = node.next;
					    }
					
					    // 将结点node插入到双向链表头部的方法
					    private void addFirst(Node node){
					        node.next = first.next;
					        node.prev = first;
					        first.next.prev = node;
					        first.next = node;
					    }
					
					    // 将node从链表中移除并将其插入到头部的方法
					    private void moveToFirst(Node node){
					        remove(node);
					        addFirst(node);
					    }
					}

• 使用LinkedList+HashMap实现O(n)复杂度：
• 使用HashMap可以通过O(1)时间拿到元素，但是无法在O(1)时间定位它在链表中的位置，在LinkedList里访问元素仍然是顺序遍历，所以删除元素的时间复杂度仍然是O(n)，代码如下：

	                	package Threadtest;
						import java.util.HashMap;
						import java.util.Map;
						/**
						 * @Description:
						 * @Author:sds
						 * @Create 缓存过期策略LRU的实现，将HashMap的value作为双向链表的node进行存储，node.val；
						 * #@Version:1.0
						 */
						public class LRUCacheBeta<K, V> {
					    int capacity;
					    Map<K, V> map;
					    LinkedList<K> list;
					
					    public LRUCacheBeta(int capacity) {
					        this.capacity = capacity;
					        this.map = new HashMap<>();
					        this.list = new LinkedList<>();
					    }
					
					    /**
					     * 添加元素
					     * 1.元素存在，放到队尾
					     * 2.不存在，判断链表是否满。
					     * 如果满，则删除队首元素，放入队尾元素，删除更新哈希表
					     * 如果不满，放入队尾元素，更新哈希表
					     */
					    public void put(K key, V value) {
					        V v = map.get(key);
					        if (v != null) {
					            list.remove(key);
					            list.addLast(key);
					            map.put(key, value);
					            return;
					        }
					
					        //队列未满，添加到尾部
					        if (list.size() < capacity) {
					            list.addLast(key);
					            map.put(key, value);
					        } else {
					            //队列已满，移除队首
					            K firstKey = list.removeFirst();
					            map.remove(firstKey);
					            list.addLast(key);
					            map.put(key, value);
					        }
					    }
					
					    /**
					     * 访问元素
					     * 元素存在，放到队尾
					     */
					    public V get(K key) {
					        V v = map.get(key);
					        if (v != null) {
					            list.remove(key);
					            list.addLast(key);
					            return v;
					        }
					        return null;
					    }
					}