用LinkedHashMap實現LRU算法

(在學習操作系統時，要做一份有關LRU和clock算法的實驗報告，很多同學都應該是通過數組去實現LRU,可能是對堆棧的使用和鏈表的使用不是很熟悉吧，在網上查資料時看到了LinkedHashMap,於是自己試着用它去實現了LRU.)

LRU算法介紹：

       LRU是Least Recently Used 近期最少使用算法。內存管理的一種頁面置換算法，對於在內存中但又不用的數據快（內存塊）叫做LRU，Oracle會根據那些數據屬於LRU而將其移出內存而騰出空間來加載另外的數據，一般用於大數據處理的時候很少使用的數據那么就直接請求數據庫，如果經常請求的數據就直接在緩存里面讀取。

      最近最久未使用(LRU)的頁面置換算法，是根據頁面調入內存后的使用情況進行決策的。由於無法預測各頁面將來的使用情況，只能利用“最近的過去”作為“最近的將來”的近似，因此，LRU置換算法是選擇最近最久未使用的頁面予以淘汰。該算法賦予每個頁面一個訪問字段，用來記錄一個頁面自上次被訪問以來所經歷的時間t，當須淘汰一個頁面時，選擇現有頁面中其t值最大的，即最近最久未使用的頁面予以淘汰（可以使用這種方法去實現）。

 

LRU的實現

       可利用一個棧來保存當前使用的各個頁面的頁面號。每當進程訪問某頁面時，便將該頁面的頁面號從棧中移出，將它壓入棧頂。因此，棧頂始終是最新被訪問頁面的編號，而棧底則是最近最久未使用頁面的頁面號。

     LRU算法也可以過雙向鏈表來實現，而LinkedHashMap恰好是通過雙向鏈表實現的java集合類，它的一大特點是，以當某個位置被命中，它就會通過調整鏈表的指向，將該位置調整到頭位置，新加入的內容直接放在鏈表頭，如此一來，最近被命中的內容就向鏈表頭移動，需要替換時，鏈表最后的位置就是最近最少使用的位置。

 假定現有一進程所訪問的頁面序列為：

4，7，0，7，1，0，1，2，1，2，6

隨着進程的訪問，棧中頁面號的變化情況如圖所示。在訪問頁面6時發生了缺頁，此時頁面4是最近最久未被訪問的頁，應將它置換出去。

代碼如下：

package 作業;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Scanner;
import java.util.Set;


/*LRU是Least Recently Used 近期最少使用算法。
 *通過HashLiekedMap實現LRU的算法的關鍵是，如果map里面的元素個數大於了緩存最大容量，則刪除鏈表頭元素
 */

/*public LinkedHashMap(int initialCapacity,float loadFactor,boolean accessOrder)
 *LRU參數參數：
 *initialCapacity - 初始容量。
 *loadFactor - 加載因子（需要是按該因子擴充容量）。
 *accessOrder - 排序模式( true) - 對於訪問順序（get一個元素后，這個元素被加到最后，使用了LRU  最近最少被使用的調度算法），對於插入順序，則為 false,可以不斷加入元素。
 */

 /*相關思路介紹：
  * 當有一個新的元素加入到鏈表里面時，程序會調用LinkedHahMap類中Entry的addEntry方法，
  *而該方法又會 會調用removeEldestEntry方法，這里就是實現LRU元素過期機制的地方，
  * 默認的情況下removeEldestEntry方法只返回false，表示可以一直表鏈表里面增加元素，在這個里  *修改一下就好了。 
  *
  */
 
/*
測試數據：
5
11
4 7 0 7 1 0 1 2 1 2 6
*/

import java.util.*;
public class LRULinkedHashMap<K,V> extends LinkedHashMap<K,V>{     
    private int capacity;                     //初始內存容量
    
    LRULinkedHashMap(int capacity){          //構造方法，傳入一個參數
        super(16,0.75f,true);               //調用LinkedHashMap，傳入參數    
        this.capacity=capacity;             //傳遞指定的最大內存容量
    }
    @Override
    public boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest){     
        //，每加入一個元素，就判斷是size是否超過了已定的容量
        System.out.println("此時的size大小="+size());
        if((size()>capacity))
        {
            System.out.println("超出已定的內存容量，把鏈表頂端元素移除："+eldest.getValue());
        }
        return size()>capacity;        
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Scanner cin = new Scanner(System.in);
        
        System.out.println("請輸入總共內存頁面數： ");
        int n = cin.nextInt();
        Map<Integer,Integer> map=new LRULinkedHashMap<Integer, Integer>(n);
        
        System.out.println("請輸入按順序輸入要訪問內存的總共頁面數： ");
        int y = cin.nextInt();
        
        System.out.println("請輸入按順序輸入訪問內存的頁面序列： ");
        for(int i=1;i<=y;i++)
        {
            int x = cin.nextInt();
            map.put(x,  x);  
        }
        System.out.println("此時內存中包含的頁面數是有:");
        //用for-each語句，遍歷此時內存中的頁面並輸出
        for(java.util.Map.Entry<Integer, Integer> entry: map.entrySet()){
            System.out.println(entry.getValue());
        }
    }
}

實驗截圖：