LRU算法的實現

需求

隨着公司的業務越來越復雜，需要提供一個用戶系統，供各個業務系統來查詢用戶的基本信息。且業務方對用戶信息的查詢頻率很高，設計的用戶系統需要注意性能。

• 初始設計： 考慮到性能，可以在內存中創建一個哈希表作為緩存，每當查找一個用戶時，會現在哈希表中進行查詢，查詢不到再去數據庫查詢。
• 初始設計存在的問題： 隨着用戶量不斷增大，可能會因為哈希表逐漸增大導致內存某一天會被撐爆。
• 初始設計的優化：使用LRU算法（內存管理算法，Least Recently Used），最近最少使用的思想。算法基於一種假設：長期不被使用的數據，在未來被用到的幾率也不大。因此，當數據所占內存達到一定閾值時，我們要移除掉最近最少被使用的數據。

LRU算法

在LRU算法中，使用一種叫作“哈希鏈表”的數據結構。哈希表由若干個key-value組成，邏輯上這些key-value是無所謂排序的。但在哈希鏈表中，這些key-value被一個鏈條串在一起，不再是無序的了，而是有 了固定的排列順序。每一個key-value都有前驅key-value、后繼key-value。所以我們可以把key-value按照最后使用的時間來進行排序。鏈表的尾部是最近被使用的，頭部是最近被使用最少甚至沒有被使用過的key-value。所以，當緩存容量達到上限時，會先刪除鏈表最左端的值，再把新的值插入到鏈表的最右端。

LRU算法實現

哈希鏈表的結構：

 

 注意點： 刪除節點的同時，記得把節點的key也要從hashMap中刪除

package blogSrc;

import java.util.HashMap;

public class LRUCache {
    private Node head;
    private Node end;

    private HashMap<String,Node> hashMap;
    private int limit;  //緩存上限

    public LRUCache(int limit){
        this.limit = limit;
        this.hashMap = new HashMap<String,Node>();
    }

    //向鏈表中添加節點
    public void addNode (Node node){
        if (head == null){  //空鏈
            head = node;
        }

        if(end != null) {  //節點添加到尾部
            end.next = node;
            node.pre = end;
            node.next = null;
        }
        end = node;
    }

    //從鏈表中移除節點
    public String  removeNode(Node node){
        if(head == end && node == head){  //鏈表只有一個節點
            head = null;
            end = null;
        }else if (node == end){ //node為最后一個節點
            end.pre.next = null;
            end = end.pre;
        }else if (node == head){  //node為第一個節點
            head.next.pre = null;
            head = head.next;
        }else {  //node為中間節點
            node.pre.next = node.next;
            node.next.pre = node.pre;
        }
        return node.key;
    }

    //刷新鏈表，將最近使用的節點放置到鏈表末尾
    public void refreshNode(Node node){
         if (node == end){
             return;
         }
         removeNode(node);  //刪除節點
         addNode(node); //添加節點
    }

    //根據節點的key值，獲取鏈表中該節點的value值
    public String get(String key){
        Node node = hashMap.get(key);
        if (node == null){
            return null;
        }
        refreshNode(node);
        return node.value;
    }

    //向鏈表上添加key-value
    public void put(String key, String value){
        Node node = hashMap.get(key);
        if (node == null){
            if (hashMap.size() >= limit){
                String oldKey = removeNode(head);  //刪除節點
                hashMap.remove(oldKey);  //同時需要把節點的key也從hashmap中刪除
            }
            node = new Node(key,value);
            addNode(node);
            hashMap.put(key,node);
        }else {
            node.value = value;
            refreshNode(node);
        }
    }

    //從鏈表上刪除指定key的數據
    public void remove(String key){
        Node node = hashMap.get(key);
        if (node == null){
            return ;
        }
        removeNode(node);
        hashMap.remove(key);
    }

    class Node {
        public Node next;
        public Node pre;
        public String key;
        public String value;
        Node(String key, String value){
            this.key = key;
            this.value = value;
        }

        public String getNextKey() {
            return next.getKey();
        }

        public String getPreKey() {
            return pre.getKey();
        }

        public String getKey() {
            return key;
        }

        public String getValue() {
            return value;
        }
    }


    public static void main(String[] args){
        LRUCache lruCache = new LRUCache(10);
        lruCache.put("001","用戶1信息");
        lruCache.put("002","用戶2信息");
        lruCache.put("003","用戶3信息");
        lruCache.put("004","用戶4信息");
        lruCache.get("003");
        System.out.println("Now End Node Key is: " + lruCache.end.getKey()+ ",Value is: " +lruCache.end.getValue());
        lruCache.put("002","用戶2信息更新");
        System.out.println("Now End Node Key is: " + lruCache.end.getKey() + ",Value is: " +lruCache.end.getValue() );
        lruCache.put("006","用戶6信息");
        System.out.println("Now End Node Key is: " + lruCache.end.getKey()+ ",Value is: " +lruCache.end.getValue());
    }
}

 

 結果：

Now End Node Key is: 003,Value is: 用戶3信息
Now End Node Key is: 002,Value is: 用戶2信息更新
Now End Node Key is: 006,Value is: 用戶6信息