緩存算法（頁面置換算法）-FIFO、LFU、LRU

在前一篇文章中經過leetcode的一道題目瞭解了LRU算法的具體設計思路，下面繼續來探討一下另外兩種常見的Cache算法：FIFO、LFU

1.FIFO算法

　　FIFO（First in First out），先進先出。其實在操做系統的設計理念中不少地方都利用到了先進先出的思想，好比做業調度（先來先服務），爲何這個原則在不少地方都會用到呢？由於這個原則簡單、且符合人們的慣性思惟，具有公平性，而且實現起來簡單，直接使用數據結構中的隊列便可實現。

　　在FIFO Cache設計中，核心原則就是：若是一個數據最早進入緩存中，則應該最先淘汰掉。也就是說，當緩存滿的時候，應當把最早進入緩存的數據給淘汰掉。在FIFO Cache中應該支持如下操做;

　　get(key)：若是Cache中存在該key，則返回對應的value值，不然，返回-1；

　　set(key,value)：若是Cache中存在該key，則重置value值；若是不存在該key，則將該key插入到到Cache中，若Cache已滿，則淘汰最先進入Cache的數據。

　　舉個例子：假如Cache大小爲3，訪問數據序列爲set(1,1),set(2,2),set(3,3),set(4,4),get(2),set(5,5)

　　則Cache中的數據變化爲：

　　(1,1)                               set(1,1)

　　(1,1) (2,2)                       set(2,2)

　　(1,1) (2,2) (3,3)               set(3,3)

　　(2,2) (3,3) (4,4)               set(4,4)

　　(2,2) (3,3) (4,4)               get(2)

　　(3,3) (4,4) (5,5)               set(5,5)

 　　那麼利用什麼數據結構來實現呢？

　　下面提供一種實現思路：

　　利用一個雙向鏈表保存數據，當來了新的數據以後便添加到鏈表末尾，若是Cache存滿數據，則把鏈表頭部數據刪除，而後把新的數據添加到鏈表末尾。在訪問數據的時候，若是在Cache中存在該數據的話，則返回對應的value值；不然返回-1。若是想提升訪問效率，能夠利用hashmap來保存每一個key在鏈表中對應的位置。

2.LFU算法

　　LFU（Least Frequently Used）最近最少使用算法。它是基於「若是一個數據在最近一段時間內使用次數不多，那麼在未來一段時間內被使用的可能性也很小」的思路。

　　注意LFU和LRU算法的不一樣之處，LRU的淘汰規則是基於訪問時間，而LFU是基於訪問次數的。舉個簡單的例子：

　　假設緩存大小爲3，數據訪問序列爲set(2,2),set(1,1),get(2),get(1),get(2),set(3,3),set(4,4)，

　　則在set(4,4)時對於LFU算法應該淘汰(3,3)，而LRU應該淘汰(1,1)。

　　那麼LFU Cache應該支持的操做爲：

　　get(key)：若是Cache中存在該key，則返回對應的value值，不然，返回-1；

　　set(key,value)：若是Cache中存在該key，則重置value值；若是不存在該key，則將該key插入到到Cache中，若Cache已滿，則淘汰最少訪問的數據。

　　爲了可以淘汰最少使用的數據，所以LFU算法最簡單的一種設計思路就是 利用一個數組存儲 數據項，用hashmap存儲每一個數據項在數組中對應的位置，而後爲每一個數據項設計一個訪問頻次，當數據項被命中時，訪問頻次自增，在淘汰的時候淘汰訪問頻次最少的數據。這樣一來的話，在插入數據和訪問數據的時候都能達到O(1)的時間複雜度，在淘汰數據的時候，經過選擇算法獲得應該淘汰的數據項在數組中的索引，並將該索引位置的內容替換爲新來的數據內容便可，這樣的話，淘汰數據的操做時間複雜度爲O(n)。

　　另外還有一種實現思路就是利用 小頂堆+hashmap，小頂堆插入、刪除操做都能達到O(logn)時間複雜度，所以效率相比第一種實現方法更加高效。

　　若是哪位朋友有更高效的實現方式（好比O(1)時間複雜度），不妨探討一下，不勝感激。

3.LRU算法

　　LRU算法的原理以及實如今前一篇博文中已經談到，在此不進行贅述：

　　http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3741519.html

　　參考連接：http://blog.csdn.net/hexinuaa/article/details/6630384

　　　　　　   http://blog.csdn.net/beiyetengqing/article/details/7855933

　　　　　　　http://outofmemory.cn/wr/?u=http%3A%2F%2Fblog.csdn.net%2Fyunhua_lee%2Farticle%2Fdetails%2F7648549

　　　　　　　http://blog.csdn.net/alexander_xfl/article/details/12993565

做者： 海子

　　　　

出處： http://www.cnblogs.com/dolphin0520/

　　　　

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