设计并实现一个并发安全的LRU(Least Recently Used,最近最少使用)缓存结构

文章目录

前言

相信很多人都使用过LinkedHashMap,LinkedHashMap中的removeEldestEntry可以删除老旧的元素,我们可以以此来实现一个LRU缓存结构,并结合java中JUC包中的各种多线程锁机制来保证多线程安全。

以下是我遇见过的一个高级面试题:

【面试题】设计并实现一个并发安全的LRU(Least Recently Used,最近最少使用)缓存结构。要求支持以下操作:

get(key):如果键存在于缓存中,则获取其对应的值(总是返回最新添加的值),否则返回-1。

put(key, value):如果键已经存在,则更新其对应的值;如果键不存在,并且缓存未满,则添加该键值对到缓存中;如果缓存已满,则移除最近最少使用的键值对,然后再将新的键值对添加到缓存。

实战演示

可以采用LinkedHashMap的removeEldestEntry方法删除需要淘汰的元素,并直接使用map的get/put方法。

模拟代码

bash 复制代码
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;


/**
 * LRUCache
 * @author senfel
 * @date 2024/2/26 12:50
 */
public class LRUCache<K, V> {
    private final int capacity;
    private LinkedHashMap<K, V> cache;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        // 设置访问顺序和插入顺序一致,且当容量达到阈值时自动删除最近最少使用的项
        this.cache = new LinkedHashMap<K, V>(capacity, 0.75f, true) {
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
                return size() > capacity;
            }
        };
    }

    /**
     * get
     * @author senfel
     * @date 2024/2/26 12:52
     * @return V 
     */
    public V get(K key) {
        synchronized (cache) {
            return cache.getOrDefault(key, null);
        }
    }
    /**
     * put
     * @author senfel
     * @date 2024/2/26 12:52
     * @return void
     */
    public void put(K key, V value) {
        synchronized (cache) {
            cache.put(key, value);
        }
    }
}

上述代码实现了一个基本的LRU缓存结构,但get方法在key不存在时返回null而不是-1,并且没有完全解决并发访问问题。而且我们在获取到已经存在的是数据后并没有刷新数据,也就是并没有实现醉经最少使用的淘汰策略。
下面是更完善的版本,包含正确的get方法逻辑以及线程安全的put和get操作,以及在获取到数据后将数据重新刷新了。

优化后的代码

bash 复制代码
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
/**
 * LRUCache
 * @author senfel
 * @date 2024/2/26 12:55
 */
public class LRUCache<K, V> {
    private final int capacity;
    private final LinkedHashMap<K, V> cache;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.cache = new LinkedHashMap<K, V>(capacity + 1, 0.75f, true) {
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
                return size() > capacity;
            }
        };
    }
    /**
     * get
     * @author senfel
     * @date 2024/2/26 12:58
     * @return V 
     */
    public V get(K key) {
        lock.lock();
        try {
            V value = cache.get(key);
            if (value != null) {
                // 触发访问,使得此条目变为最近使用过的
                cache.remove(key);
                cache.put(key, value);
            }
            return value;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    /**
     * get
     * @author senfel
     * @date 2024/2/26 12:58
     * @return void
     */
    public void put(K key, V value) {
        lock.lock();
        try {
            // 首先尝试移除旧的键值对,即使它可能不存在
            cache.remove(key);
            cache.put(key, value);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

写在最后

在这个高级版本的LRU缓存实现中,我们使用了LinkedHashMap作为基础数据结构,并通过重写removeEldestEntry方法实现了缓存满时自动淘汰最久未使用的元素。同时,为了保证在多线程环境下的线程安全性,我们在get和put方法上加了synchronized关键字或者使用了ReentrantLock来确保同一时间只有一个线程能执行修改缓存的操作。在get方法中,我们还额外做了一步,即在获取到key对应值后重新插入以更新其为最近使用的元素。

相关推荐
小bo波2 小时前
从"任意文件复制"深挖Java I/O:字符流与字节流的本质抉择
java·nio·io流·后端开发·文件复制
蝎子莱莱爱打怪4 小时前
XZLL-IM干货系列 03|消息 ID 设计:一个 UUID 搞不定的事,我用两个 ID 解决了
后端·面试·开源
梯度不陡5 小时前
AI 到底能不能从零写软件?ProgramBench 和 RepoZero 给出了两种答案
前端·javascript·面试
胡萝卜术7 小时前
滑动窗口最大值:从暴力到单调队列,层层优化全解析
前端·javascript·面试
沉默王二9 小时前
面试结束后,我反问:“就面个实习至于上这么大强度吗?”面试官:“你对 RAG、Agent、MCP、Skill 理解得很到位,所以要求高一点。”
面试·agent·ai编程
假如让我当三天老蒯11 小时前
Options API(选项式 API) 和 Composition API(组合式 API)
前端·vue.js·面试
nanxun8861 天前
记一次诡异的 Docker 容器"串包"故障排查
java
用户1563068103511 天前
Day01 | Java 基础(Java SE)
java
行者全栈架构师1 天前
Maven dependency:tree 的 8 个高级用法
java·后端
行者全栈架构师1 天前
IDEA 中 Maven 项目的 15 个红色报错快速解决方法
java·后端