缓存淘汰算法 LRU

LRU(least recent used)算法，指的是最近最少访问淘汰算法，是内存不够的场景下，淘汰旧内容的策略。当内存中发生缺页异常的时候，需要从磁盘中读出最新的一页，那原来的一段时间内最少被访问的那一页就需要被替换掉。如何自己实现一个LRU队列，给定队列的容量，使之在常数时间内就能实现插入新的一页，删除最少访问的一页等操作呢？

我们用基于hashmap和双向链表的方法：

如上图所示：head和tail表示双向链表的头和尾部，LRU队列就是头尾之间的双向链表。我们定义了一个hash表，存放不同的key值对应的链表节点的地址。这样通过key就可以以常数的时间来访问到链表头，找到有没有这个节点了。如果hashmap里面的容量少于标定容量，在访问时，首先寻找存不存在当前节点，如果存在就只是修改值，不存在则插入，注意之后需要把这个节点放在队首表示最近访问；如果已经超出容量了，可以先插入，然后在删除尾结点（最近最少访问到）。

java代码如下：

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 tailDLinkedNode 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;}
}

比如一个限定容量为3的LRU，进行下面的操作，示意图如下：

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：

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