《算法 - Lru算法》
一：概述
- LRU 用于管理缓存策略，其本身在 Linux/Redis/Mysql 中均有实现。只是实现方式不尽相同。
- LRU 算法【Least recently used（最近最少使用）】
- 根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是 "如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高"。
二：单链表实现的 Lru 算法
- 思路
- 单链表实现
- 流程
- 1. 新数据插入到链表头部；
- 2. 每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到链表头部；
- 3. 当链表满的时候，将链表尾部的数据丢弃。
- 优点
- 实现简单。
- 当存在热点数据时，LRU的效率很好。
- 缺点
- 偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降，缓存污染情况比较严重。
- 命中时需要遍历链表，找到命中的数据块索引，然后需要将数据移到头部。
- 流程图
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- 代码实现(PHP)
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/** * 思路 * 单链表实现 * 原理 * 单链表 * 流程 * 1. 新数据插入到链表头部； * 2. 每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到链表头部； * 3. 当链表满的时候，将链表尾部的数据丢弃。 * 优点 * 实现简单。 * 当存在热点数据时，LRU的效率很好。 * 缺点 * 偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降，缓存污染情况比较严重。 * 命中时需要遍历链表，找到命中的数据块索引，然后需要将数据移到头部。 */ class Lru { public static $lruList = []; // 顺序存储单链表结构 public static $maxLen = 5; // 链表允许最大长度 public static $nowLen = 0; // 链表当前长度 /** * LRU_1 constructor. * 由于 PHP 不是常驻进程程序，所以链表初始化可以通过 Mysql/Redis 实现 */ public function __construct() { self::$lruList = []; self::$nowLen = count(self::$lruList); } /** * 获取 key => value * @param $key * @return null */ public function get($key) { $value = null; // lru 队列为空，直接返回 if (!self::$lruList) { self::$lruList[] = [$key => $this->getData($key)]; // 根据实际项目情况获取数据 self::$nowLen++; return $value; } // 查找 lru 缓存 for ($i = 0; $i < self::$nowLen; $i++) { // 如果存在缓存，则直接返回，并将数据重新插入链表头部 if (isset(self::$lruList[$i][$key])) { $value = self::$lruList[$i][$key]; unset(self::$lruList[$i]); array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]); break; } } // 如果没有找到 lru 缓存 if (!isset($value)) { // 插入头部 array_unshift(self::$lruList, [$key => $this->getData($key)]); // 根据实际项目情况获取数据 self::$nowLen++; if (self::$nowLen > self::$maxLen) { self::$nowLen--; array_pop(self::$lruList); } } return $value; } /** * 输出 Lru 队列 */ public function echoLruList() { var_dump(self::$lruList); } /** * 根据真实环境获取数据 * @param $key * @return string */ public function getData($key) { return 'data'; } }
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三：Lru K 算法
- 思路
- 为了避免 LRU 的 '缓存污染' 问题
- 增加一个队列来维护缓存出现的次数。其核心思想是将“最近使用过1次”的判断标准扩展为“最近使用过K次”。
- 原理
- 相比LRU，LRU-K需要多维护一个队列，用于记录所有缓存数据被访问的历史。
- 只有当数据的访问次数达到K次的时候，才将数据放入缓存。
- 当需要淘汰数据时，LRU-K会淘汰第K次访问时间距当前时间最大的数据.
- 流程
- 1.数据第一次被访问，加入到访问历史列表；
- 2.如果数据在访问历史列表里后没有达到K次访问，则按照一定规则 LRU淘汰；
- 3.当访问历史队列中的数据访问次数达到K次后，将数据索引从历史队列删除，将数据移到缓存队列中，并缓存此数据，缓存队列重新按照时间排序；
- 4.缓存数据队列中被再次访问后，重新排序；
- 5.需要淘汰数据时，淘汰缓存队列中排在末尾的数据，即：淘汰“倒数第K次访问离现在最久”的数据。
- 优点
- LRU-K降低了“缓存污染”带来的问题，命中率比LRU要高。
- 缺点
- LRU-K队列是一个优先级队列，算法复杂度和代价比较高。
- 由于LRU-K还需要维护历史队列，所以消耗的内存会更多。
- 流程图
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- 代码实现
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/** * 思路 * 为了避免 LRU 的 '缓存污染' 问题 * 增加一个队列来维护缓存出现的次数。其核心思想是将“最近使用过1次”的判断标准扩展为“最近使用过K次”。 * 原理 * 相比LRU，LRU-K需要多维护一个队列，用于记录所有缓存数据被访问的历史。 * 只有当数据的访问次数达到K次的时候，才将数据放入缓存。 * 当需要淘汰数据时，LRU-K会淘汰第K次访问时间距当前时间最大的数据 * 流程 * 1.数据第一次被访问，加入到访问历史列表； * 2.如果数据在访问历史列表里后没有达到K次访问，则按照一定规则 LRU淘汰； * 3.当访问历史队列中的数据访问次数达到K次后，将数据索引从历史队列删除，将数据移到缓存队列中，并缓存此数据，缓存队列重新按照时间排序； * 4.缓存数据队列中被再次访问后，重新排序； * 5.需要淘汰数据时，淘汰缓存队列中排在末尾的数据，即：淘汰“倒数第K次访问离现在最久”的数据。 * 优点 * LRU-K降低了“缓存污染”带来的问题，命中率比LRU要高。 * 缺点 * LRU-K队列是一个优先级队列，算法复杂度和代价比较高。 * 由于LRU-K还需要维护历史队列，所以消耗的内存会更多。 */ class Lru_K { public static $historyList = []; // 访问历史队列 public static $lruList = []; // 顺序存储单链表结构 public static $maxLen = 5; // 链表允许最大长度 public static $nowLen = 0; // 链表当前长度 /** * LRU_K constructor. * 由于 PHP 不是常驻进程程序，所以链表初始化可以通过 Mysql/Redis 实现 */ public function __construct() { self::$lruList = []; self::$historyList = []; self::$nowLen = count(self::$lruList); } /** * 获取 key => value * @param $key * @return null */ public function get($key) { $value = null; // 查找 lru 缓存 for ($i = 0; $i < self::$nowLen; $i++) { // 如果存在缓存，则直接返回，并将数据重新插入链表头部 if (isset(self::$lruList[$i][$key])) { $value = self::$lruList[$i][$key]; unset(self::$lruList[$i]); array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]); break; } } // 如果没有找到 lru 缓存, 则进入历史队列进行计数，当次数大于等于5时候，进入缓存队列 if (!isset($value)) { self::$historyList[$key]++; $value = $this->getData($key); // 进入缓存队列 if (self::$historyList[$key] >= 5) { array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]); // 根据实际项目情况获取数据 self::$nowLen++; if (self::$nowLen > self::$maxLen) { self::$nowLen--; array_pop(self::$lruList); } unset(self::$historyList[$key]); // 历史队列推出 } } return $value; } /** * 输出 Lru 队列 */ public function echoLruList() { var_dump(self::$lruList); var_dump(self::$historyList); } /** * 根据真实环境获取数据 * @param $key * @return string */ public function getData($key) { return 'data'; } }
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