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”。
- 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。
【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。
LRU-K原理
LRU-K中的K代表最近使用的次数，因此LRU可以认为是LRU-1。LRU-K的主要目的是为了解决LRU算法“缓存污染”的问题，其核心思想是将“最近使用过1次”的判断标准扩展为“最近使用过K次”。
相比LRU，LRU-K需要多维护一个队列，用于记录所有缓存数据被访问的历史。只有当数据的访问次数达到K次的时候，才将数据放入缓存。当需要淘汰数据时，LRU-K会淘汰第K次访问时间距当前时间最大的数据。详细实现如下：
- 数据第一次被访问，加入到访问历史列表；
- 如果数据在访问历史列表里后没有达到K次访问，则按照一定规则（FIFO，LRU）淘汰；
- 当访问历史队列中的数据访问次数达到K次后，将数据索引从历史队列删除，将数据移到缓存队列中，并缓存此数据，缓存队列重新按照时间排序；
- 缓存数据队列中被再次访问后，重新排序；
- 需要淘汰数据时，淘汰缓存队列中排在末尾的数据，即：淘汰“倒数第K次访问离现在最久”的数据。
LRU-K具有LRU的优点，同时能够避免LRU的缺点，实际应用中LRU-2是综合各种因素后最优的选择，LRU-3或者更大的K值命中率会高，但适应性差，需要大量的数据访问才能将历史访问记录清除掉。
【命中率】
LRU-K降低了“缓存污染”带来的问题，命中率比LRU要高。
【复杂度】
LRU-K队列是一个优先级队列，算法复杂度和代价比较高。
【代价】
由于LRU-K还需要记录那些被访问过、但还没有放入缓存的对象，因此内存消耗会比LRU要多；当数据量很大的时候，内存消耗会比较可观。
LRU-K需要基于时间进行排序（可以需要淘汰时再排序，也可以即时排序），CPU消耗比LRU要高。
URL-Two queues原理
Two queues（以下使用2Q代替）算法类似于LRU-2，不同点在于2Q将LRU-2算法中的访问历史队列（注意这不是缓存数据的）改为一个FIFO缓存队列，即：2Q算法有两个缓存队列，一个是FIFO队列，一个是LRU队列。
当数据第一次访问时，2Q算法将数据缓存在FIFO队列里面，当数据第二次被访问时，则将数据从FIFO队列移到LRU队列里面，两个队列各自按照自己的方法淘汰数据。详细实现如下：
- 新访问的数据插入到FIFO队列；
- 如果数据在FIFO队列中一直没有被再次访问，则最终按照FIFO规则淘汰；
- 如果数据在FIFO队列中被再次访问，则将数据移到LRU队列头部；
- 如果数据在LRU队列再次被访问，则将数据移到LRU队列头部；
- LRU队列淘汰末尾的数据。
【命中率】
2Q算法的命中率要高于LRU。
【复杂度】
需要两个队列，但两个队列本身都比较简单。
【代价】
FIFO和LRU的代价之和。
2Q算法和LRU-2算法命中率类似，内存消耗也比较接近，但对于最后缓存的数据来说，2Q会减少一次从原始存储读取数据或者计算数据的操作。
Multi Queue原理
MQ算法根据访问频率将数据划分为多个队列，不同的队列具有不同的访问优先级，其核心思想是：优先缓存访问次数多的数据。
MQ算法将缓存划分为多个LRU队列，每个队列对应不同的访问优先级。访问优先级是根据访问次数计算出来的，例如
详细的算法结构图如下，Q0，Q1....Qk代表不同的优先级队列，Q-history代表从缓存中淘汰数据，但记录了数据的索引和引用次数的队列：
如上图，算法详细描述如下：
- 新插入的数据放入Q0；
- 每个队列按照LRU管理数据；
- 当数据的访问次数达到一定次数，需要提升优先级时，将数据从当前队列删除，加入到高一级队列的头部；
- 为了防止高优先级数据永远不被淘汰，当数据在指定的时间里访问没有被访问时，需要降低优先级，将数据从当前队列删除，加入到低一级的队列头部；
- 需要淘汰数据时，从最低一级队列开始按照LRU淘汰；每个队列淘汰数据时，将数据从缓存中删除，将数据索引加入Q-history头部；
- 如果数据在Q-history中被重新访问，则重新计算其优先级，移到目标队列的头部；
- Q-history按照LRU淘汰数据的索引。
【命中率】
MQ降低了“缓存污染”带来的问题，命中率比LRU要高。
【复杂度】
MQ需要维护多个队列，且需要维护每个数据的访问时间，复杂度比LRU高。
【代价】
MQ需要记录每个数据的访问时间，需要定时扫描所有队列，代价比LRU要高。
注：虽然MQ的队列看起来数量比较多，但由于所有队列之和受限于缓存容量的大小，因此这里多个队列长度之和和一个LRU队列是一样的，因此队列扫描性能也相近。
代码实现：
在一般标准的操作系统教材里，会用下面的方式来演示 LRU 原理，假设内存只能容纳3个页大小，按照 7 0 1 2 0 3 0 4 的次序访问页。假设内存按照栈的方式来描述访问时间，在上面的，是最近访问的，在下面的是，最远时间访问的，LRU就是这样工作的。
但是如果让我们自己设计一个基于 LRU 的缓存，这样设计可能问题很多，这段内存按照访问时间进行了排序，会有大量的内存拷贝操作，所以性能肯定是不能接受的。
那么如何设计一个LRU缓存，使得放入和移除都是 O(1) 的，我们需要把访问次序维护起来，但是不能通过内存中的真实排序来反应，有一种方案就是使用双向链表。
基于 HashMap 和 双向链表实现 LRU 的
整体的设计思路是，可以使用 HashMap 存储 key，这样可以做到 save 和 get key的时间都是 O(1)，而 HashMap 的 Value 指向双向链表实现的 LRU 的 Node 节点，如图所示。
LRU 存储是基于双向链表实现的，下面的图演示了它的原理。其中 h 代表双向链表的表头，t 代表尾部。首先预先设置 LRU 的容量，如果存储满了，可以通过 O(1) 的时间淘汰掉双向链表的尾部，每次新增和访问数据，都可以通过 O(1)的效率把新的节点增加到对头，或者把已经存在的节点移动到队头。
下面展示了，预设大小是 3 的，LRU存储的在存储和访问过程中的变化。为了简化图复杂度，图中没有展示 HashMap部分的变化，仅仅演示了上图 LRU 双向链表的变化。我们对这个LRU缓存的操作序列如下：
save("key1", 7)， save("key2", 0)， save("key3", 1)， save("key4", 2)， get("key2")， save("key5", 3)， get("key2")， save("key6", 4)
相应的 LRU 双向链表部分变化如下：
核心操作的步骤:
【1】save(key, value)，首先在 HashMap 找到 Key 对应的节点，如果节点存在，更新节点的值，并把这个节点移动队头。如果不存在，需要构造新的节点，并且尝试把节点塞到队头，如果LRU空间不足，则通过 tail 淘汰掉队尾的节点，同时在 HashMap 中移除 Key。
【2】get(key)，通过 HashMap 找到 LRU 链表节点，把节点插入到队头，返回缓存的值。
完整基于 Java 的代码参考如下：
class DLinkedNode {
String key;
int value;
DLinkedNode pre;
DLinkedNode post;
}
public class LRUCache {
private Hashtable<Integer, DLinkedNode>
cache = new Hashtable<Integer, DLinkedNode>();
private int count;
private int capacity;
private DLinkedNode head, tail;
public LRUCache(int capacity) {
this.count = 0;
this.capacity = capacity;
head = new DLinkedNode();
head.pre = null;
tail = new DLinkedNode();
tail.post = null;
head.post = tail;
tail.pre = head;
}
public int get(String key) {
DLinkedNode node = cache.get(key);
if(node == null){
return -1; // should raise exception here.
}
// move the accessed node to the head;
this.moveToHead(node);
return node.value;
}
public void set(String key, int value) {
DLinkedNode node = cache.get(key);
if(node == null){
DLinkedNode newNode = new DLinkedNode();
newNode.key = key;
newNode.value = value;
this.cache.put(key, newNode);
this.addNode(newNode);
++count;
if(count > capacity){
// pop the tail
DLinkedNode tail = this.popTail();
this.cache.remove(tail.key);
--count;
}
}else{
// update the value.
node.value = value;
this.moveToHead(node);
}
}
/**
* Always add the new node right after head;
*/
private void addNode(DLinkedNode node){
node.pre = head;
node.post = head.post;
head.post.pre = node;
head.post = node;
}
/**
* Remove an existing node from the linked list.
*/
private void removeNode(DLinkedNode node){
DLinkedNode pre = node.pre;
DLinkedNode post = node.post;
pre.post = post;
post.pre = pre;
}
/**
* Move certain node in between to the head.
*/
private void moveToHead(DLinkedNode node){
this.removeNode(node);
this.addNode(node);
}
// pop the current tail.
private DLinkedNode popTail(){
DLinkedNode res = tail.pre;
this.removeNode(res);
return res;
}
}
京公网安备 11010502036488号