使用 go 语言实现一个 LRU 缓存算法

LRU（Least Recently Used，最近最少使用）缓存是一种常见的缓存策略，经典的实现方式是结合哈希表和双向链表：哈希表用于快速查找缓存项，双向链表用于维护缓存项的访问顺序。那我们要如何用代码实现呢，之前我在深入解析Go语言container/list：双向链表的实现与应用中介绍了go语言中的双向链表，这可以减少我们对链表的实现，这里只需实现一个LRUCache结构体，用于存放哈希表和双向链表。

LRU 的读写时序图

在开始代码编写前，先简单说下以 LRU 策略的缓存读写的流程：

读场景：

首先用户先从缓存中查找
缓存命中的话，需要将命中的数据放到链表的头部再返回值
如果不存在就返回一个不存在的标识（例如 -1）

写场景：

用户往缓存中插入一个键值对，首先查看缓存中是否存在
如果存在，更新值，且将元素移到链表头部
如果不存在，则先将数据插入到链表头部，如何将键值对插入到缓存中
插入缓存的过程需要判断当前缓存的大小是否超过容量
如果超过，则移除链表尾部的元素，并将其在缓存中删除

具体的流程如下时序图所示：

有了上面简单的方案，我们接下来只需按照时序图实现相关的操作即可。

1. 定义缓存结构

创建一个结构体来表示 LRU 缓存，包含缓存容量、用于存储键值对的哈希表以及用于记录使用顺序的双向链表。

go 复制代码

import (
	"container/list"
)

type LRUCache struct {
	capacity int 
	cache    map[int]*list.Element 
	lruList  *list.List
}

capacity 表示缓存的最大容量，cache 是一个哈希表，用于快速查找缓存项，lruList 是一个双向链表，用于记录缓存项的使用顺序。

2. 实现初始化方法

实现一个初始化方法，用于创建一个新的 LRU 缓存实例。

go 复制代码

func Constructor(capacity int) LRUCache {
	return LRUCache{
		capacity: capacity,
		cache:    make(map[int]*list.Element),
		lruList:  list.New(),
	}
}

3. 实现 Get 方法

Get 方法用于从缓存中获取指定键的值。如果键存在于缓存中，就将对应的缓存项移到链表头部（表示最近被使用），并返回其值；如果键不存在，就返回 -1。

go 复制代码

func (l *LRUCache) Get(key int) int {
	if elem, ok := l.cache[key]; ok {
		// 将访问的元素移到链表头部
		l.lruList.MoveToFront(elem)
		return elem.Value.(*list.Element).Value.(int)
	}
	return -1
}

4. 实现 Put 方法

Put 方法用于将键值对添加到缓存中。如果键已经存在，就更新其值，并将对应的缓存项移到链表头部；如果键不存在，就添加一个新的缓存项到链表头部，并将键值对添加到哈希表中。如果缓存已满，则需要移除链表尾部的缓存项（最久未使用的）。

go 复制代码

func (l *LRUCache) Put(key int, value int) {
	if elem, ok := l.cache[key]; ok {
		// 更新值
		lruElem := elem.Value.(*list.Element)
		lruElem.Value = value
		// 将访问的元素移到链表头部
		l.lruList.MoveToFront(elem)
	} else {
		// 添加新的元素到链表头部
		elem := l.lruList.PushFront(&list.Element{Value: value})
		l.cache[key] = elem
		// 如果缓存已满，移除链表尾部的元素
		if len(l.cache) > l.capacity {
			backElem := l.lruList.Back()
			delete(l.cache, backElem.Value.(*list.Element).Value.(int))
			l.lruList.Remove(backElem)
		}
	}
}

5. 使用示例

go 复制代码

func main() {
	cache := Constructor(2) // 创建一个容量为 2 的缓存
	cache.Put(1, 1)
	cache.Put(2, 2)
	fmt.Println(cache.Get(1)) // 返回 1
	cache.Put(3, 3)           // 缓存已满，移除键 2
	fmt.Println(cache.Get(2)) // 返回 -1 (不命中)
	cache.Put(4, 4)           // 缓存已满，移除键 1
	fmt.Println(cache.Get(1)) // 返回 -1 (不命中)
	fmt.Println(cache.Get(3)) // 返回 3
	fmt.Println(cache.Get(4)) // 返回 4
}

以上就是用 Go 语言实现 LRU 缓存的一个简单示例。