基于Cache替换算法的LRU缓存实现

LRU的全称为Least Recently Used,即最近最少使用,LRU是一种Cache替换算法。狭义的Cache指的是位于CPU和主存间的快速RAM,通常不像系统主存那样使用DRAM技术,而使用昂贵但较快速的SRAM技术。广义上的Cache指的是位于速度相差较大的两种硬件之间,用于协调两者数据传输速度差异的结构。除了CPU与主存之间有Cache,内存与硬盘之间也有Cache,乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache,称为Internet临时文件夹或网络内存缓存,如下图所示:

Cache的容量有限,因此当Cache的容量用完后,而又有新的内容需要添加进来时,就需要挑选并舍弃原有的部分内容,从而腾出空间来放新内容。LRU Cache的替换原则就是将最近最少使用的内容替换掉。LRU译成最久未使用会更形象,因为该算法每次替换掉的就是一段时间内最久没有使用过的内容。

下面来实现LRU缓存这一数据结构,需要实现的接口如下:

输入输出示例:

LRU缓存数据插入和调整的具体过程如下所示:

实现LRU Cache的方法和思路很多,但是要保持高效的O(1)的put和get,使用双向链表和哈希表是最高效的。双向链表可以实现任意位置O(1)的插入和删除,哈希表增删查改的时间复杂度也为O(1)。

采取双向链表+哈希的实现思路,LRU的结构如下所示:

代码实现:

cpp 复制代码
class LRUCache {
    int cap;
    list<pair<int,int>> ls;
    unordered_map<int,list<pair<int,int>>:: iterator> mp; 
public:
    LRUCache(int capacity) {
        cap=capacity;
    }
    
    int get(int key) {
        auto it=mp.find(key);
        if(it!=mp.end())
        {
            ls.splice(ls.begin(),ls,it->second);
        return it->second->second;
        }
        return -1;
    }
    
    void put(int key, int value) {
        auto it=mp.find(key);
        if(it!=mp.end())
        {
            it->second->second=value;
            ls.splice(ls.begin(),ls,it->second);
            return;
        }
        if(ls.size()>=cap)
        {
            auto it=ls.back().first;
            mp.erase(it);
            ls.pop_back();
            }
            ls.emplace_front(key,value);
            mp[key]=ls.begin();
    }
};

cap用于指定LRU缓存的最大容量,cap=capacity,并在构造时初始化为最大容量capacity。list<pair<int,int>> ls,ls用于存储pair键值对(key,value),unordered_map<int,list<pair<int,int>>::iterator> mp,mp将key映射到对应的链表节点迭代器。auto it=mp.find(key),get方法首先在哈希表mp中查找key,if(it!=mp.end()),如果存在,ls.splice(ls.begin(),ls,it->second),则调用list的splice方法将该节点移动到链表头部表示最近访问,it->second则为该节点对应的迭代器,return it->second->second,最后返回该节点存储的值value,如果不存在,则return -1。auto it=mp.find(key),put方法同样先查找key,if(it!=mp.end()),如果存在,it->second->second=value,则更新节点的值为value,ls.splice(ls.begin(),ls,it->second),调用splice将节点移到头部,最后return即可。如果key不存在,需先判断缓存是否已满,if(ls.size()>=cap),如果缓存已满,auto it=ls.back().first,则取出链表尾部节点的key,即最久未使用的元素it,mp.erase(it),从哈希表mp中删除该元素it,ls.pop_back(),并弹出链表尾结点,ls.emplace_front(key,value),最后调用emplace_front在链表头部插入新节点,mpkey=ls.begin(),并在哈希表mp中记录key到链表迭代器的映射,put操作完成。

总结:

LRU缓存实现需同时支持两个操作维度:一是根据键值进行快速随机访问,二是维护键值对之间的时间序关系以便识别最久未使用的元素。哈希与双向链表的结合正是实现LRU这一数据结构的最佳实践,list结点通过存储键值对pair,并通过调用splice实现了O(1)的操作将最近使用过的结点往链表头部移动,使其保持LRU结构,哈希表将key与链表迭代器实现映射,这样当get到一个已有的值之后,就可以直接找到key在list中对应的迭代器,再调用splice将其移动到链表的头部,保持LRU结构。这种实现方式非常高效,每一步操作都在常数时间复杂度内完成,是计算机缓存系统设计中的经典范式,从虚拟内存的页面置换到分布式存储的热数据识别,LRU的设计思想已渗透到计算机体系的各个层级。

相关推荐
fpcc4 小时前
c++编程实践—堆和栈越界调试
c++
yi0114 小时前
LeetCode 219:存在重复元素 II——哈希表记录“最近一次出现的位置”
数据结构·人工智能·笔记·python·算法·leetcode·哈希表
志尊宝5 小时前
Vue3 零基础每日笔记(073):keep-alive 页面缓存实战——列表页返回不丢状态
vue.js·笔记·缓存·#vue #前端 #前端开发·#javascript·#vue.js
weiabc6 小时前
MSYS2 UCRT64 + g++ C++ 中文输出乱码 完整全过程
c++
禾小西6 小时前
Redis:从两大维度和三大主线建立知识体系
数据库·redis·缓存
灯澜忆梦7 小时前
【面向对象编程C++】| 基础语法
java·c++·算法
禾小西7 小时前
Redis 数据结构:快速的 Redis 有哪些慢操作?
数据结构·数据库·redis
小蒋观天下7 小时前
专项方案:大场景港口AI安防、多干扰环境下的算法调优与落地实操
人工智能·深度学习·算法·安全·机器学习·计算机视觉·ai大模型
Evand J7 小时前
【电机滤波例程5】渐消因子自适应扩展卡尔曼滤波(EKF),MATLAB。PMSM负载突变下的状态估计。附下载链接
算法·matlab
H.莓飛7 小时前
【数据结构】二叉树_OJ题
linux·开发语言·数据结构·算法