《算法 - Lru算法》

時間 2019-11-07

標籤算法 - Lru算法简体版

原文原文鏈接

一：概述php

　　- LRU 用於管理緩存策略，其自己在 Linux/Redis/Mysql 中均有實現。只是實現方式不盡相同。git

　　- LRU 算法【Least recently used（最近最少使用）】github

　　- 根據數據的歷史訪問記錄來進行淘汰數據，其核心思想是 "若是數據最近被訪問過，那麼未來被訪問的概率也更高"。算法

　 - GITHUBsql

二：單鏈表實現的 Lru 算法緩存

　　- 思路this

　　　　- 單鏈表實現spa

　　- 流程code

　　　　- 1. 新數據插入到鏈表頭部；blog

　　　　- 2. 每當緩存命中（即緩存數據被訪問），則將數據移到鏈表頭部；

　　　　- 3. 當鏈表滿的時候，將鏈表尾部的數據丟棄。

　　- 優勢

　　　　- 實現簡單。

　　　　- 當存在熱點數據時，LRU的效率很好。

　　- 缺點

　　　　- 偶發性的、週期性的批量操做會致使LRU命中率急劇降低，緩存污染狀況比較嚴重。

　　　　- 命中時須要遍歷鏈表，找到命中的數據塊索引，而後須要將數據移到頭部。

　　- 流程圖

　　- 代碼實現(PHP)

/**
 * 思路
 *     單鏈表實現
 * 原理
 *     單鏈表
 * 流程
 *     1. 新數據插入到鏈表頭部；
 *     2. 每當緩存命中（即緩存數據被訪問），則將數據移到鏈表頭部；
 *     3. 當鏈表滿的時候，將鏈表尾部的數據丟棄。
 * 優勢
 *     實現簡單。
 *     當存在熱點數據時，LRU的效率很好。
 * 缺點
 *     偶發性的、週期性的批量操做會致使LRU命中率急劇降低，緩存污染狀況比較嚴重。
 *     命中時須要遍歷鏈表，找到命中的數據塊索引，而後須要將數據移到頭部。
 */
class Lru
{
    public static $lruList = []; // 順序存儲單鏈表結構
    public static $maxLen  = 5;  // 鏈表容許最大長度
    public static $nowLen  = 0;  // 鏈表當前長度

    /**
     * LRU_1 constructor.
     * 因爲 PHP 不是常駐進程程序，因此鏈表初始化能夠經過 Mysql/Redis 實現
     */
    public function __construct()
    {
        self::$lruList = [];
        self::$nowLen  = count(self::$lruList);
    }

    /**
     * 獲取 key => value
     * @param $key
     * @return null
     */
    public function get($key)
    {
        $value = null;

        // lru 隊列爲空，直接返回
        if (!self::$lruList) {
            self::$lruList[] = [$key => $this->getData($key)]; // 根據實際項目狀況獲取數據
            self::$nowLen++;
            return $value;
        }

        // 查找 lru 緩存
        for ($i = 0; $i < self::$nowLen; $i++) {

            // 若是存在緩存，則直接返回，並將數據從新插入鏈表頭部
            if (isset(self::$lruList[$i][$key])) {

                $value = self::$lruList[$i][$key];

                unset(self::$lruList[$i]);

                array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]);

                break;
            }
        }


        // 若是沒有找到 lru 緩存
        if (!isset($value)) {

            // 插入頭部
            array_unshift(self::$lruList, [$key => $this->getData($key)]); // 根據實際項目狀況獲取數據
            self::$nowLen++;

            if (self::$nowLen > self::$maxLen) {
                self::$nowLen--;
                array_pop(self::$lruList);
            }
        }

        return $value;

    }

    /**
     * 輸出 Lru 隊列
     */
    public function echoLruList()
    {
        var_dump(self::$lruList);
    }

    /**
     * 根據真實環境獲取數據
     * @param $key
     * @return string
     */
    public function getData($key)
    {
        return 'data';
    }
}

三：Lru K 算法

　　- 思路

　　　　- 爲了避免 LRU 的 '緩存污染' 問題

　　　　- 增長一個隊列來維護緩存出現的次數。其核心思想是將「最近使用過1次」的判斷標準擴展爲「最近使用過K次」。

　　- 原理

　　　　- 相比LRU，LRU-K須要多維護一個隊列，用於記錄全部緩存數據被訪問的歷史。

　　　　- 只有當數據的訪問次數達到K次的時候，纔將數據放入緩存。

　　　　- 當須要淘汰數據時，LRU-K會淘汰第K次訪問時間距當前時間最大的數據.

　　- 流程

　　　　- 1.數據第一次被訪問，加入到訪問歷史列表；

　　　　- 2.若是數據在訪問歷史列表裏後沒有達到K次訪問，則按照必定規則 LRU淘汰；

　　　　- 3.當訪問歷史隊列中的數據訪問次數達到K次後，將數據索引從歷史隊列刪除，將數據移到緩存隊列中，並緩存此數據，緩存隊列從新按照時間排序；

　　　　- 4.緩存數據隊列中被再次訪問後，從新排序；

　　　　- 5.須要淘汰數據時，淘汰緩存隊列中排在末尾的數據，即：淘汰「倒數第K次訪問離如今最久」的數據。

　　- 優勢

　　　　- LRU-K下降了「緩存污染」帶來的問題，命中率比LRU要高。

　　- 缺點

　　　　- LRU-K隊列是一個優先級隊列，算法複雜度和代價比較高。

　　　　- 因爲LRU-K還須要維護歷史隊列，因此消耗的內存會更多。

　　- 流程圖

　　- 代碼實現

/**
 * 思路
 *     爲了不 LRU 的 '緩存污染' 問題
 *     增長一個隊列來維護緩存出現的次數。其核心思想是將「最近使用過1次」的判斷標準擴展爲「最近使用過K次」。
 * 原理
 *     相比LRU，LRU-K須要多維護一個隊列，用於記錄全部緩存數據被訪問的歷史。
 *     只有當數據的訪問次數達到K次的時候，纔將數據放入緩存。
 *     當須要淘汰數據時，LRU-K會淘汰第K次訪問時間距當前時間最大的數據
 * 流程
 *     1.數據第一次被訪問，加入到訪問歷史列表；
 *     2.若是數據在訪問歷史列表裏後沒有達到K次訪問，則按照必定規則 LRU淘汰；
 *     3.當訪問歷史隊列中的數據訪問次數達到K次後，將數據索引從歷史隊列刪除，將數據移到緩存隊列中，並緩存此數據，緩存隊列從新按照時間排序；
 *     4.緩存數據隊列中被再次訪問後，從新排序；
 *     5.須要淘汰數據時，淘汰緩存隊列中排在末尾的數據，即：淘汰「倒數第K次訪問離如今最久」的數據。
 * 優勢
 *     LRU-K下降了「緩存污染」帶來的問題，命中率比LRU要高。
 * 缺點
 *     LRU-K隊列是一個優先級隊列，算法複雜度和代價比較高。
 *     因爲LRU-K還須要維護歷史隊列，因此消耗的內存會更多。
 */
class Lru_K
{
    public static $historyList = []; // 訪問歷史隊列
    public static $lruList     = []; // 順序存儲單鏈表結構
    public static $maxLen      = 5;  // 鏈表容許最大長度
    public static $nowLen      = 0;  // 鏈表當前長度

    /**
     * LRU_K constructor.
     * 因爲 PHP 不是常駐進程程序，因此鏈表初始化能夠經過 Mysql/Redis 實現
     */
    public function __construct()
    {
        self::$lruList     = [];
        self::$historyList = [];
        self::$nowLen      = count(self::$lruList);
    }

    /**
     * 獲取 key => value
     * @param $key
     * @return null
     */
    public function get($key)
    {
        $value = null;

        // 查找 lru 緩存
        for ($i = 0; $i < self::$nowLen; $i++) {

            // 若是存在緩存，則直接返回，並將數據從新插入鏈表頭部
            if (isset(self::$lruList[$i][$key])) {

                $value = self::$lruList[$i][$key];

                unset(self::$lruList[$i]);

                array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]);

                break;
            }
        }

        // 若是沒有找到 lru 緩存, 則進入歷史隊列進行計數，當次數大於等於5時候，進入緩存隊列
        if (!isset($value)) {
            self::$historyList[$key]++;

            $value = $this->getData($key);

            // 進入緩存隊列
            if (self::$historyList[$key] >= 5) {
                array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]); // 根據實際項目狀況獲取數據
                self::$nowLen++;

                if (self::$nowLen > self::$maxLen) {
                    self::$nowLen--;
                    array_pop(self::$lruList);
                }

                unset(self::$historyList[$key]); // 歷史隊列推出
            }
        }

        return $value;

    }

    /**
     * 輸出 Lru 隊列
     */
    public function echoLruList()
    {
        var_dump(self::$lruList);
        var_dump(self::$historyList);
    }

    /**
     * 根據真實環境獲取數據
     * @param $key
     * @return string
     */
    public function getData($key)
    {
        return 'data';
    }
}

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