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服務器之家 - 編程語言 - JAVA教程 - java LRU(Least Recently Used )詳解及實例代碼

java LRU(Least Recently Used )詳解及實例代碼

2020-07-08 13:47懶惰的肥兔 JAVA教程

這篇文章主要介紹了java LRU(Least Recently Used )詳解及實例代碼的相關資料,Java里面實現LRU緩存通常有兩種選擇,一種是使用LinkedHashMap,一種是自己設計數據結構,使用鏈表+HashMap,需要的朋友可以參考下

java LRU(Least Recently Used )詳解

LRU是Least Recently Used 的縮寫,翻譯過來就是“最近最少使用”,LRU緩存就是使用這種原理實現,簡單的說就是緩存一定量的數據,當超過設定的閾值時就把一些過期的數據刪除掉,比如我們緩存10000條數據,當數據小于10000時可以隨意添加,當超過10000時就需要把新的數據添加進來,同時要把過期數據刪除,以確保我們最大緩存10000條,那怎么確定刪除哪條過期數據呢,采用LRU算法實現的話就是將最老的數據刪掉,廢話不多說,下面來說下Java版的LRU緩存實現

Java里面實現LRU緩存通常有兩種選擇,一種是使用LinkedHashMap,一種是自己設計數據結構,使用鏈表+HashMap

LRU Cache的LinkedHashMap實現

LinkedHashMap自身已經實現了順序存儲,默認情況下是按照元素的添加順序存儲,也可以啟用按照訪問順序存儲,即最近讀取的數據放在最前面,最早讀取的數據放在最后面,然后它還有一個判斷是否刪除最老數據的方法,默認是返回false,即不刪除數據,我們使用LinkedHashMap實現LRU緩存的方法就是對LinkedHashMap實現簡單的擴展,擴展方式有兩種,一種是inheritance,一種是delegation,具體使用什么方式看個人喜好

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//LinkedHashMap的一個構造函數,當參數accessOrder為true時,即會按照訪問順序排序,最近訪問的放在最前,最早訪問的放在后面
public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) {
    super(initialCapacity, loadFactor);
    this.accessOrder = accessOrder;
}
 
//LinkedHashMap自帶的判斷是否刪除最老的元素方法,默認返回false,即不刪除老數據
//我們要做的就是重寫這個方法,當滿足一定條件時刪除老數據
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return false;
}

LRU緩存LinkedHashMap(inheritance)實現

采用inheritance方式實現比較簡單,而且實現了Map接口,在多線程環境使用時可以使用 Collections.synchronizedMap()方法實現線程安全操作

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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();
  }
}

 這樣算是比較標準的實現吧,實際使用中這樣寫還是有些繁瑣,更實用的方法時像下面這樣寫,省去了單獨見一個類的麻煩

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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;
  }
};

 LRU緩存LinkedHashMap(delegation)實現

delegation方式實現更加優雅一些,但是由于沒有實現Map接口,所以線程同步就需要自己搞定了

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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;
    //根據cacheSize和加載因子計算hashmap的capactiy,+1確保當達到cacheSize上限時不會觸發hashmap的擴容,
    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();
  }
}

 LRU Cache的鏈表+HashMap實現

 注:此實現為非線程安全,若在多線程環境下使用需要在相關方法上添加synchronized以實現線程安全操作

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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;
  }
}

LinkedHashMap的FIFO實現

FIFO是First Input First Output的縮寫,也就是常說的先入先出,默認情況下LinkedHashMap就是按照添加順序保存,我們只需重寫下removeEldestEntry方法即可輕松實現一個FIFO緩存,簡化版的實現代碼如下

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

調用示例

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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 鏈表實現===========================");
    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)實現===========================");
    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)實現===========================");
    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默認實現===========================");
    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();
  }
 
}

運行結果

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"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 鏈表實現===========================
5:11 4:11 3:11 2:11 1:11
4:11 7:77 2:11 6:66 5:11
 
 
===========================LRU LinkedHashMap(inheritance)實現===========================
1:11 2:11 3:11 4:11 5:11
5:11 6:66 2:11 7:77 4:11
 
 
===========================LRU LinkedHashMap(delegation)實現===========================
1:11 2:11 3:11 4:11 5:11
5:11 6:66 2:11 7:77 4:11
 
 
===========================FIFO LinkedHashMap默認實現===========================
{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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