图解缓存淘汰算法 LRU、LFU ｜最近最少使用、最不经常使用算法

写在前面

无论是什么系统，在研发的过程中不可避免的会使用到缓存，而缓存一般来说我们不会永久存储，但是缓存的内容是有限的，那么我们如何在有限的内存空间中，尽可能的保留有效的缓存信息呢？ 那么我们就可以使用 LRU/LFU算法 ，来维持缓存中的信息的时效性。

LRU 详解

原理

LRU （Least Recently Used：最近最少使用）算法在缓存写满的时候，会根据所有数据的访问记录，淘汰掉未来被访问几率最低的数据。也就是说该算法认为，最近被访问过的数据，在将来被访问的几率最大。

流程如下：
在这里插入图片描述
假设我们有这么一块内存，一共有26个数据存储块。

当我们连续插入A、B、C、…Z的时候，此时内存已经插满了
那么当我们再插入一个6，那么此时会将内存存放时间最久的数据A淘汰掉。
当我们从外部读取数据C的时候，此时C就会提到头部，这时候C就是最晚淘汰的了。

其实流程来说很简单。我们来拆分一下的话，不难发现这就是在维护一个双向链表。

代码实现

定义一个存放的数据块结构

type item struct {key   stringvalue any// the frequency of keyfreq int
}

定义LRU算法的结构体

type LRU struct {dl       *list.List // 维护的双端队列size     int // 当前的容量capacity int // 限定的容量storage map[string]*list.Element // 存储的key
}

获取某个key的value的函数，如果存在这个key，那么我们就把这个值移动到最前面MoveToFront，否则返回一个nil。

func (c *LRU) Get(key string) any {v, ok := c.storage[key]if ok {c.dl.MoveToFront(v)return v.Value.(item).value}return nil
}

当我们需要put进去一些东西的时候。会分以下几个步骤

是否已经存在，如果已经存在则，直接返回，并且将key移动到最前面。
如果没有存在，但是已经是到极限容量了，就把最后一个Back()，淘汰掉，然后在塞入。
塞入的话，是塞入到最前面PushFront

func (c *LRU) Put(key string, value any) {e, ok := c.storage[key]if ok {n := e.Value.(item)n.value = valuee.Value = nc.dl.MoveToFront(e)return}if c.size >= c.capacity {e = c.dl.Back()dk := e.Value.(item).keyc.dl.Remove(e)delete(c.storage, dk)c.size--}n := item{key: key, value: value}c.dl.PushFront(n)ne := c.dl.Front()c.storage[key] = nec.size++
}

以上就是LRU算法的所有内容了，那我们看一下LFU算法。

LFU

原理

LFU全称是最不经常使用算法（Least Frequently Used），LFU算法的基本思想和所有的缓存算法一样，一定时期内被访问次数最少的页，在将来被访问到的几率也是最小的。

相比于LRU（Least Recently Use）算法，LFU更加注重于使用的频率。LRU是其实可以看作是频率为1的LFU的。

在这里插入图片描述

和LRU不同的是，LFU是根据频率排序的，当我们插入的时候，一般会把新插入的放到链表的尾部，因为新插入的一定是没有出现过的，所以频率都会是1 ，所以会放在最后。

所以LFU的插入顺序如下：

如果A没有出现过，那么就会放在双向链表的最后，依次类推，就会是Z、Y。。C、B、A的顺序放到频率为1的链表中。
当我们新插入 A，B，C 那么A，B，C就会到频率为2的链表中
如果再次插入A，B那么A，B会在频率为3中。C依旧在2中
如果此时已经满了 ，新插入一个的话，我们会把最后一个D移除，并插入 6

在这里插入图片描述

代码

定义一个LFU的结构体：

// LFU the Least Frequently Used (LFU) page-replacement algorithm
type LFU struct {len     int // lengthcap     int // capacityminFreq int // The element that operates least frequently in LFU// key: key of element, value: value of elementitemMap map[string]*list.Element// key: frequency of possible occurrences of all elements in the itemMap// value: elements with the same frequencyfreqMap map[int]*list.List // 维护一个频率和list的集合
}

我们使用LFU算法的话，我们插入的元素就需要带上频率了

// initItem to init item for LFU
func initItem(k string, v any, f int) item {return item{key:   k,value: v,freq:  f,}
}

如果我们获取某个元素，那么这个元素如果存在，就会对这个元素的频率进行加1

// Get the key in cache by LFU
func (c *LFU) Get(key string) any {// if existed, will return valueif e, ok := c.itemMap[key]; ok {// the frequency of e +1 and change freqMapc.increaseFreq(e)obj := e.Value.(item)return obj.value}// if not existed, return nilreturn nil
}

增加频率

// increaseFreq increase the frequency if element
func (c *LFU) increaseFreq(e *list.Element) {obj := e.Value.(item)// remove from low frequency firstoldLost := c.freqMap[obj.freq]oldLost.Remove(e)// change the value of minFreqif c.minFreq == obj.freq && oldLost.Len() == 0 {// if it is the last node of the minimum frequency that is removedc.minFreq++}// add to high frequency listc.insertMap(obj)
}

插入key到LFU缓存中

如果存在就对频率加1
如果不存在就准备插入
如果溢出了，就把最少频率的删除
如果没有溢出，那么就放到最后

// Put the key in LFU cache
func (c *LFU) Put(key string, value any) {if e, ok := c.itemMap[key]; ok {// if key existed, update the valueobj := e.Value.(item)obj.value = valuec.increaseFreq(e)} else {// if key not existedobj := initItem(key, value, 1)// if the length of item gets to the top line// remove the least frequently operated elementif c.len == c.cap {c.eliminate()c.len--}// insert in freqMap and itemMapc.insertMap(obj)// change minFreq to 1 because insert the newest onec.minFreq = 1// length++c.len++}
}

插入一个新的

// insertMap insert item in map
func (c *LFU) insertMap(obj item) {// add in freqMapl, ok := c.freqMap[obj.freq]if !ok {l = list.New()c.freqMap[obj.freq] = l}e := l.PushFront(obj)// update or add the value of itemMap key to ec.itemMap[obj.key] = e
}

找到最少的链表，并且删除

// eliminate clear the least frequently operated element
func (c *LFU) eliminate() {l := c.freqMap[c.minFreq]e := l.Back()obj := e.Value.(item)l.Remove(e)delete(c.itemMap, obj.key)
}