Implémentation du cache LRU en Java

LRU est l'abréviation de Least Récemment Utilisé, qui se traduit par « le moins récemment utilisé ». Le cache LRU est implémenté en utilisant ce principe, il met en cache une certaine quantité de données lorsque. il dépasse Lorsque le seuil est défini, certaines données expirées seront supprimées.

Par exemple, nous mettons en cache 10 000 éléments de données. Lorsque les données sont inférieures à 10 000, nous pouvons les ajouter à volonté. Lorsqu'elles dépassent 10 000, nous devons ajouter de nouvelles données et supprimer les données expirées pour nous en assurer. nous mettons en cache un maximum de 10 000 éléments. Alors, comment déterminer quelles données expirées doivent être supprimées ? Si elles sont mises en œuvre à l'aide de l'algorithme LRU, les données les plus anciennes seront supprimées ?

Parlons de la version Java de l'implémentation du cache LRU : (Recommandé : Tutoriel vidéo Java)

Il existe généralement deux options pour implémenter le cache LRU en Java, l'une est Pour utiliser LinkedHashMap, la première consiste à concevoir vous-même la structure des données, en utilisant une liste chaînée + HashMap

L'implémentation LinkedHashMap de LRU Cache

LinkedHashMap elle-même a implémenté la séquence Stockage, par défaut, stocke les éléments dans l'ordre dans lequel ils sont ajoutés. Vous pouvez également activer le stockage dans l'ordre d'accès, c'est-à-dire que les données lues les plus récemment sont placées au début, les données lues les plus anciennes sont placées à la fin et. alors il a également le choix de les supprimer. La méthode des données les plus anciennes renvoie false par défaut, c'est-à-dire que les données ne sont pas supprimées.

La façon dont nous utilisons LinkedHashMap pour implémenter la mise en cache LRU consiste à implémenter une simple extension de LinkedHashMap. Il existe deux méthodes d'extension, l'une est l'héritage et l'autre la délégation.

//LinkedHashMap的一个构造函数，当参数accessOrder为true时，即会按照访问顺序排序，最近访问的放在最前，最早访问的放在后面
public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor);
        this.accessOrder = accessOrder;
}

//LinkedHashMap自带的判断是否删除最老的元素方法，默认返回false，即不删除老数据
//我们要做的就是重写这个方法，当满足一定条件时删除老数据
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
        return false;
}

Implémentation du cache LRU LinkedHashMap (héritage)

La méthode d'héritage est relativement simple à implémenter, elle implémente l'interface Map et peut être utilisé dans un environnement multithread Vous pouvez utiliser la méthode Collections.synchronizedMap() pour implémenter des opérations thread-safe

package cn.lzrabbit.structure.lru;

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;

/**
 * Created by liuzhao on 14-5-15.
 */
public class LRUCache2<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private final int MAX_CACHE_SIZE;

    public LRUCache2(int cacheSize) {
        super((int) Math.ceil(cacheSize / 0.75) + 1, 0.75f, true);
        MAX_CACHE_SIZE = cacheSize;
    }

    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
        return size() > MAX_CACHE_SIZE;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (Map.Entry<K, V> entry : entrySet()) {
            sb.append(String.format("%s:%s ", entry.getKey(), entry.getValue()));
        }
        return sb.toString();
    }
}

Il s'agit d'une implémentation relativement standard En utilisation réelle, écrire comme celle-ci est encore un peu fastidieux. Une méthode plus pratique consiste à écrire comme suit, en omettant La difficulté de voir une classe seule

final int cacheSize = 100;
Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>((int) Math.ceil(cacheSize / 0.75f) + 1, 0.75f, true) {
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<String, String> eldest) {
    return size() > cacheSize;
    }
};

Implémentation du cache LRU LinkedHashMap (délégation)

La méthode de délégation est plus élégante, mais comme Map n'a pas d'interface implémentée, la synchronisation des threads doit donc être effectuée par vous-même

package cn.lzrabbit.structure.lru;

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

/**
 * Created by liuzhao on 14-5-13.
 */
public class LRUCache3<K, V> {

    private final int MAX_CACHE_SIZE;
    private final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    LinkedHashMap<K, V> map;

    public LRUCache3(int cacheSize) {
        MAX_CACHE_SIZE = cacheSize;
        //根据cacheSize和加载因子计算hashmap的capactiy，+1确保当达到cacheSize上限时不会触发hashmap的扩容，
        int capacity = (int) Math.ceil(MAX_CACHE_SIZE / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1;
        map = new LinkedHashMap(capacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR, true) {
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
                return size() > MAX_CACHE_SIZE;
            }
        };
    }

    public synchronized void put(K key, V value) {
        map.put(key, value);
    }

    public synchronized V get(K key) {
        return map.get(key);
    }

    public synchronized void remove(K key) {
        map.remove(key);
    }

    public synchronized Set<Map.Entry<K, V>> getAll() {
        return map.entrySet();
    }

    public synchronized int size() {
        return map.size();
    }

    public synchronized void clear() {
        map.clear();
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
            sb.append(String.format("%s:%s ", entry.getKey(), entry.getValue()));
        }
        return sb.toString();
    }
}

Liste chaînée de LRU Cache + implémentation de HashMap

Remarque : cette implémentation n'est pas thread-safe. Si elle est utilisée dans un environnement multithread, synchronisé doit être ajouté aux méthodes pertinentes pour réaliser des opérations thread-safe

package cn.lzrabbit.structure.lru;


import java.util.HashMap;

/**
 * Created by liuzhao on 14-5-12.
 */
public class LRUCache1<K, V> {

    private final int MAX_CACHE_SIZE;
    private Entry first;
    private Entry last;

    private HashMap<K, Entry<K, V>> hashMap;

    public LRUCache1(int cacheSize) {
        MAX_CACHE_SIZE = cacheSize;
        hashMap = new HashMap<K, Entry<K, V>>();
    }

    public void put(K key, V value) {
        Entry entry = getEntry(key);
        if (entry == null) {
            if (hashMap.size() >= MAX_CACHE_SIZE) {
                hashMap.remove(last.key);
                removeLast();
            }
            entry = new Entry();
            entry.key = key;
        }
        entry.value = value;
        moveToFirst(entry);
        hashMap.put(key, entry);
    }

    public V get(K key) {
        Entry<K, V> entry = getEntry(key);
        if (entry == null) return null;
        moveToFirst(entry);
        return entry.value;
    }

    public void remove(K key) {
        Entry entry = getEntry(key);
        if (entry != null) {
            if (entry.pre != null) entry.pre.next = entry.next;
            if (entry.next != null) entry.next.pre = entry.pre;
            if (entry == first) first = entry.next;
            if (entry == last) last = entry.pre;
        }
        hashMap.remove(key);
    }

    private void moveToFirst(Entry entry) {
        if (entry == first) return;
        if (entry.pre != null) entry.pre.next = entry.next;
        if (entry.next != null) entry.next.pre = entry.pre;
        if (entry == last) last = last.pre;

        if (first == null || last == null) {
            first = last = entry;
            return;
        }

        entry.next = first;
        first.pre = entry;
        first = entry;
        entry.pre = null;
    }

    private void removeLast() {
        if (last != null) {
            last = last.pre;
            if (last == null) first = null;
            else last.next = null;
        }
    }


    private Entry<K, V> getEntry(K key) {
        return hashMap.get(key);
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        Entry entry = first;
        while (entry != null) {
            sb.append(String.format("%s:%s ", entry.key, entry.value));
            entry = entry.next;
        }
        return sb.toString();
    }

    class Entry<K, V> {
        public Entry pre;
        public Entry next;
        public K key;
        public V value;
    }
}

Implémentation FIFO de LinkedHashMap

FIFO C'est l'abréviation de First Input First Output, qui est souvent dit premier entré, premier sorti. Par défaut, LinkedHashMap est enregistré dans. l'ordre d'ajout. Il suffit de réécrire la méthode removeEldestEntry pour implémenter facilement un cache FIFO. La version simplifiée du code d'implémentation est la suivante

final int cacheSize = 5;
LinkedHashMap<Integer, String> lru = new LinkedHashMap<Integer, String>() {
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Integer, String> eldest) {
    return size() > cacheSize;
    }
};

Exemple d'appel

Code de test

package cn.lzrabbit.structure.lru;

import cn.lzrabbit.ITest;

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;

/**
 * Created by liuzhao on 14-5-15.
 */
public class LRUCacheTest  {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("start...");

        lruCache1();
        lruCache2();
        lruCache3();
        lruCache4();
     
        System.out.println("over...");
    }
 

 static   void lruCache1() {
        System.out.println();
        System.out.println("===========================LRU 链表实现===========================");
        LRUCache1<Integer, String> lru = new LRUCache1(5);
        lru.put(1, "11");
        lru.put(2, "11");
        lru.put(3, "11");
        lru.put(4, "11");
        lru.put(5, "11");
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(6, "66");
        lru.get(2);
        lru.put(7, "77");
        lru.get(4);
        System.out.println(lru.toString());
        System.out.println();
    }


static   <T> void lruCache2() {
        System.out.println();
        System.out.println("===========================LRU LinkedHashMap(inheritance)实现===========================");
        LRUCache2<Integer, String> lru = new LRUCache2(5);
        lru.put(1, "11");
        lru.put(2, "11");
        lru.put(3, "11");
        lru.put(4, "11");
        lru.put(5, "11");
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(6, "66");
        lru.get(2);
        lru.put(7, "77");
        lru.get(4);
        System.out.println(lru.toString());
        System.out.println();
    }

  static  void lruCache3() {
        System.out.println();
        System.out.println("===========================LRU LinkedHashMap(delegation)实现===========================");
        LRUCache3<Integer, String> lru = new LRUCache3(5);
        lru.put(1, "11");
        lru.put(2, "11");
        lru.put(3, "11");
        lru.put(4, "11");
        lru.put(5, "11");
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(6, "66");
        lru.get(2);
        lru.put(7, "77");
        lru.get(4);
        System.out.println(lru.toString());
        System.out.println();
    }

  static  void lruCache4() {
        System.out.println();
        System.out.println("===========================FIFO LinkedHashMap默认实现===========================");
        final int cacheSize = 5;
        LinkedHashMap<Integer, String> lru = new LinkedHashMap<Integer, String>() {
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Integer, String> eldest) {
                return size() > cacheSize;
            }
        };
        lru.put(1, "11");
        lru.put(2, "11");
        lru.put(3, "11");
        lru.put(4, "11");
        lru.put(5, "11");
        System.out.println(lru.toString());
        lru.put(6, "66");
        lru.get(2);
        lru.put(7, "77");
        lru.get(4);
        System.out.println(lru.toString());
        System.out.println();
    }

}

Résultats d'exécution

"C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\bin\java" -Didea.launcher.port=7535 "-Didea.launcher.bin.path=C:\Program Files (x86)\JetBrains\IntelliJ IDEA 13.0.2\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\rt.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_10\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\SVN\projects\Java\Java.Algorithm\target\test-classes;D:\SVN\projects\Java\Java.Algorithm\target\classes;C:\Program Files (x86)\JetBrains\IntelliJ IDEA 13.0.2\lib\idea_rt.jar" com.intellij.rt.execution.application.AppMain Main
start...

===========================LRU 链表实现===========================
5:11 4:11 3:11 2:11 1:11 
4:11 7:77 2:11 6:66 5:11 


===========================LRU LinkedHashMap(inheritance)实现===========================
1:11 2:11 3:11 4:11 5:11 
5:11 6:66 2:11 7:77 4:11 


===========================LRU LinkedHashMap(delegation)实现===========================
1:11 2:11 3:11 4:11 5:11 
5:11 6:66 2:11 7:77 4:11 


===========================FIFO LinkedHashMap默认实现===========================
{1=11, 2=11, 3=11, 4=11, 5=11}
{3=11, 4=11, 5=11, 6=66, 7=77}

over...

Process finished with exit code 0

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