LRU缓存介绍与实现 (Java)

引子：

我们平时总会有一个电话本记录所有朋友的电话，但是，如果有朋友经常联系，那些朋友的电话号码不用翻电话本我们也能记住，但是，如果长时间没有联系 了，要再次联系那位朋友的时候，我们又不得不求助电话本，但是，通过电话本查找还是很费时间的。但是，我们大脑能够记住的东西是一定的，我们只能记住自己 最熟悉的，而长时间不熟悉的自然就忘记了。

其实，计算机也用到了同样的一个概念，我们用缓存来存放以前读取的数据，而不是直接丢掉，这样，再次读取的时候，可以直接在缓存里面取，而不用再重 新查找一遍，这样系统的反应能力会有很大提高。但是，当我们读取的个数特别大的时候，我们不可能把所有已经读取的数据都放在缓存里，毕竟内存大小是一定 的，我们一般把最近常读取的放在缓存里（相当于我们把最近联系的朋友的姓名和电话放在大脑里一样）。现在，我们就来研究这样一种缓存机制。

LRU缓存：

LRU缓存利用了这样的一种思想。LRU是Least Recently Used 的缩写，翻译过来就是“最近最少使用”，也就是说，LRU缓存把最近最少使用的数据移除，让给最新读取的数据。而往往最常读取的，也是读取次数最多的，所 以，利用LRU缓存，我们能够提高系统的performance.

实现：

要实现LRU缓存，我们首先要用到一个类 LinkedHashMap。 用这个类有两大好处：一是它本身已经实现了按照访问顺序的存储，也就是说，最近读取的会放在最前面，最最不常读取的会放在最后（当然，它也可以实现按照插 入顺序存储）。第二，LinkedHashMap本身有一个方法用于判断是否需要移除最不常读取的数，但是，原始方法默认不需要移除（这 是，LinkedHashMap相当于一个linkedlist），所以，我们需要override这样一个方法，使得当缓存里存放的数据个数超过规定个 数后，就把最不常用的移除掉。LinkedHashMap的API写得很清楚，推荐大家可以先读一下。

要基于LinkedHashMap来实现LRU缓存，我们可以选择inheritance, 也可以选择 delegation， 我更喜欢delegation。基于delegation的实现已经有人写出来了，而且写得很漂亮，我就不班门弄斧了。代码如下：

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Collection;
import java.util.Map;
import java.util.ArrayList;

/**
* An LRU cache, based on <code>LinkedHashMap</code>.
*
* <p>
* This cache has a fixed maximum number of elements (<code>cacheSize</code>).
* If the cache is full and another entry is added, the LRU (least recently used) entry is dropped.
*
* <p>
* This class is thread-safe. All methods of this class are synchronized.
*
* <p>
* Author: Christian d'Heureuse, Inventec Informatik AG, Zurich, Switzerland<br>
* Multi-licensed: EPL / LGPL / GPL / AL / BSD.
*/
public class LRUCache<K,V> {

private static final float   hashTableLoadFactor = 0.75f;

private LinkedHashMap<K,V>   map;
private int                  cacheSize;

/**
* Creates a new LRU cache.
* @param cacheSize the maximum number of entries that will be kept in this cache.
*/
public LRUCache (int cacheSize) {
   this.cacheSize = cacheSize;
   int hashTableCapacity = (int)Math.ceil(cacheSize / hashTableLoadFactor) + 1;
   map = new LinkedHashMap<K,V>(hashTableCapacity, hashTableLoadFactor, true) {
      // (an anonymous inner class)
      private static final long serialVersionUID = 1;
      @Override protected boolean removeEldestEntry (Map.Entry<K,V> eldest) {
         return size() > LRUCache.this.cacheSize; }}; }

/**
* Retrieves an entry from the cache.<br>
* The retrieved entry becomes the MRU (most recently used) entry.
* @param key the key whose associated value is to be returned.
* @return    the value associated to this key, or null if no value with this key exists in the cache.
*/
public synchronized V get (K key) {
   return map.get(key); }

/**
* Adds an entry to this cache.
* The new entry becomes the MRU (most recently used) entry.
* If an entry with the specified key already exists in the cache, it is replaced by the new entry.
* If the cache is full, the LRU (least recently used) entry is removed from the cache.
* @param key    the key with which the specified value is to be associated.
* @param value  a value to be associated with the specified key.
*/
public synchronized void put (K key, V value) {
   map.put (key, value); }

/**
* Clears the cache.
*/
public synchronized void clear() {
   map.clear(); }

/**
* Returns the number of used entries in the cache.
* @return the number of entries currently in the cache.
*/
public synchronized int usedEntries() {
   return map.size(); }

/**
* Returns a <code>Collection</code> that contains a copy of all cache entries.
* @return a <code>Collection</code> with a copy of the cache content.
*/
public synchronized Collection<Map.Entry<K,V>> getAll() {
   return new ArrayList<Map.Entry<K,V>>(map.entrySet()); }

} // end class LRUCache
------------------------------------------------------------------------------------------
// Test routine for the LRUCache class.
public static void main (String[] args) {
   LRUCache<String,String> c = new LRUCache<String, String>(3);
   c.put ("1", "one");                           // 1
   c.put ("2", "two");                           // 2 1
   c.put ("3", "three");                         // 3 2 1
   c.put ("4", "four");                          // 4 3 2
   if (c.get("2") == null) throw new Error();    // 2 4 3
   c.put ("5", "five");                          // 5 2 4
   c.put ("4", "second four");                   // 4 5 2
   // Verify cache content.
   if (c.usedEntries() != 3)              throw new Error();
   if (!c.get("4").equals("second four")) throw new Error();
   if (!c.get("5").equals("five"))        throw new Error();
   if (!c.get("2").equals("two"))         throw new Error();
   // List cache content.
   for (Map.Entry<String, String> e : c.getAll())
      System.out.println (e.getKey() + " : " + e.getValue()); }

代码出自：http://www.source-code.biz/snippets/java/6.htm

在博客 http://gogole.iteye.com/blog/692103 里，作者使用的是双链表 + hashtable 的方式实现的。如果在面试题里考到如何实现LRU，考官一般会要求使用双链表 + hashtable 的方式。 所以，我把原文的部分内容摘抄如下：

双链表 + hashtable实现原理：

将Cache的所有位置都用双连表连接起来，当一个位置被命中之后，就将通过调整链表的指向，将该位置调整到链表头的位置，新加入的Cache直接 加到链表头中。这样，在多次进行Cache操作后，最近被命中的，就会被向链表头方向移动，而没有命中的，而想链表后面移动，链表尾则表示最近最少使用的 Cache。当需要替换内容时候，链表的最后位置就是最少被命中的位置，我们只需要淘汰链表最后的部分即可。

public class LRUCache {

    private int cacheSize;
    private Hashtable<Object, Entry> nodes;//缓存容器
    private int currentSize;
    private Entry first;//链表头
    private Entry last;//链表尾

    public LRUCache(int i) {
        currentSize = 0;
        cacheSize = i;
        nodes = new Hashtable<Object, Entry>(i);//缓存容器
    }

    /**
     * 获取缓存中对象,并把它放在最前面
     */
    public Entry get(Object key) {
        Entry node = nodes.get(key);
        if (node != null) {
            moveToHead(node);
            return node;
        } else {
            return null;
        }
    }

    /**
     * 添加 entry到hashtable, 并把entry
     */
    public void put(Object key, Object value) {
        //先查看hashtable是否存在该entry, 如果存在，则只更新其value
        Entry node = nodes.get(key);

        if (node == null) {
            //缓存容器是否已经超过大小.
            if (currentSize >= cacheSize) {
                nodes.remove(last.key);
                removeLast();
            } else {
                currentSize++;
            }
            node = new Entry();
        }
        node.value = value;
        //将最新使用的节点放到链表头，表示最新使用的.
        moveToHead(node);
        nodes.put(key, node);
    }

    /**
     * 将entry删除, 注意：删除操作只有在cache满了才会被执行
     */
    public void remove(Object key) {
        Entry node = nodes.get(key);
        //在链表中删除
        if (node != null) {
            if (node.prev != null) {
                node.prev.next = node.next;
            }
            if (node.next != null) {
                node.next.prev = node.prev;
            }
            if (last == node)
                last = node.prev;
            if (first == node)
                first = node.next;
        }
        //在hashtable中删除
        nodes.remove(key);
    }

    /**
     * 删除链表尾部节点，即使用最后 使用的entry
     */
    private void removeLast() {
        //链表尾不为空,则将链表尾指向null. 删除连表尾（删除最少使用的缓存对象）
        if (last != null) {
            if (last.prev != null)
                last.prev.next = null;
            else
                first = null;
            last = last.prev;
        }
    }

    /**
     * 移动到链表头，表示这个节点是最新使用过的
     */
    private void moveToHead(Entry node) {
        if (node == first)
            return;
        if (node.prev != null)
            node.prev.next = node.next;
        if (node.next != null)
            node.next.prev = node.prev;
        if (last == node)
            last = node.prev;
        if (first != null) {
            node.next = first;
            first.prev = node;
        }
        first = node;
        node.prev = null;
        if (last == null)
            last = first;
    }
    /*
     * 清空缓存
     */
    public void clear() {
        first = null;
        last = null;
        currentSize = 0;
    }

}

class Entry {
    Entry prev;//前一节点
    Entry next;//后一节点
    Object value;//值
    Object key;//键
}

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