LRUCache原理及源码实现-编程知识

LRUCache简介：

LRUCache的实现：

LinkedHashMap方法实现：

自己实现链表：

前言：

有需要本文章源码的友友请前往：LRUCache源码

LRUCache简介：

LRU是Least Recently Used的缩写，意思是最近最少使用，它是一种Cache替换算法。什么是Cache？狭义的Cache指的是位于CPU和主存间的快速RAM，通常它不像系统主存那样使DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术。广义上的Cache指的是位于速度相差较大的两种硬件之间，用于协调两者数据传输速度差异的结构。除了CPU与主存之间有Cache，内存与硬盘之间也有Cache，乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache── 称为Internet临时文件夹或网络内容缓存等。

Cache的容量有限，因此当Cache的容量用完后，而又有新的内容需要添加进来时，就需要挑选并舍弃原有的部分内容，从而腾出空间来放新内容。LRU Cache 的替换原则就是将最近最少使用的内容替换掉。其实， LRU译成最久未使用会更形象，因为该算法每次替换掉的就是一段时间内最久没有使用过的内容。👍👍👍

LRUCache的实现：

实现LRUCache的方法和思路很多，但是要保持高效实现O(1)的put和get，那么使用双向链表和哈希表的搭配是最高效和经典的。使用双向链表是因为双向链表可以实现任意位置O(1)的插入和删除，使用哈希表是因为哈希表的增删查改也是O(1)。

具体如下图，这个图一定要记住，下面的代码都是围绕这个图来展开的。🌸🌸🌸

LRUCache是实现主要有两种方法：

（1）是使用JDK中类似LRUCahe的数据结构LinkedHashMap。

（2）自己实现双向链表+HashMap实现。

LinkedHashMap方法实现：

由于LinkdeHashMap和LRUCache非常相似，故我们直接继承它，直接调用它的方法就行，其实就是给LinkedHashMap套了个LRUCache的壳。😎😎😎

基本参数：

private int capacity;
public LRUCache(int capacity){super(capacity,0.75f,true);this.capacity = capacity;
}

super（）是调用父亲的构造方法（LinkdeHashMap），其源码如下：

参数说明：

1. initialCapacity 初始容量大小，使用无参构造方法时，此值默认是16。

2. loadFactor 加载因子，使用无参构造方法时，此值默认是 0.75f。

3. accessOrder 如果为false基于插入顺序（后续会解释），如果为true基于访问顺序。

那么什么是loadFactor呢？

loadFactor（负载因子）是表示Hash表中元素的填满的程度。🌸🌸🌸

accessOrder决定的顺序是做什么的？

当accessOrder为false时，下面代码打印map结果如下：🌸🌸🌸

当accessOrder为true时，下面代码打印map的结果如下：

通过对比两张图片我们不难发现在map执行get后 " 1 "被放到map的末尾。这个性质就很好的符合LRUCache的性质，所以我们可以使用LinkedHashMap来模拟实现LRUCache。

具体代码如下：

public class LRUCache extends LinkedHashMap<Integer,Integer> {private int capacity;public LRUCache(int capacity){super(capacity,0.75f,true);this.capacity = capacity;}public int get(int key){return super.getOrDefault(key,-1);}public void put(int key,int value){super.put(key,value);}@Overrideprotected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Integer, Integer> eldest) {return super.size() > capacity;}
}

基本都是调用LinkedHashMap的方法，故这里不再过多赘述，唯一需要注意的一点是：removeEldestEntry方法必须要重写，因为在其源码中是默认返回false。

下面有一道关于LRUCache的oj题目，友友们可以用实现后的代码去跑一跑。

LRU缓存

自己实现链表：

链表的节点，这里采用的是带头节点和带尾节点的双向链表（实现非常方便）。节点和HashMap对应，采用静态内部类。

static class DLinkNode{public int key;//对应map的keypublic int val;//对应map的valuepublic DLinkNode next;//后指针public DLinkNode prev;//前指针public DLinkNode(int key,int val){this.key = key;this.val = val;}public DLinkNode(){}}

LRUCache的全局变量及构造方法如下：这里需要注意要把head节点和tail节点之间相互指向一下，不然会空指针异常，顺便把HashMap初始好。

    DLinkNode head;//头节点DLinkNode tail;//尾节点public int capacity;//LRUCache的容量public int usedSize;//LRUCache中的节点个数Map<Integer,DLinkNode> cache;public MyLRUCache(int capacity){this.capacity = capacity;head = new DLinkNode();//创建头节点tail = new DLinkNode();//创建尾节点head.next = tail;//将头尾节点相互指向，防止空指针异常tail.prev = head;cache = new HashMap<>();}

查找key：

首先利用哈希表以O（1）的时间复杂度完成查找key对应的节点，拿到节点后将其移动到尾节点同时返回对应的节点值。移动节点到尾节点分为两步，1.删除当前节点 2.尾插新节点。为了使代码更加简洁使用函数独立实现实现。

/*** 查找key对应节点如果找不到返回-1，如果有将它放到尾节点* @param key* @return*/public int get(int key){DLinkNode node = cache.get(key);//不存在直接返回-1if(node == null){return -1;}//存在的情况//将node节点移动到末尾//1.删除当前节点//2.尾插新节点moveTail(node);//3.返回值return node.val;}

moveTail源码如下：

下面都是一些简单的链表操作，画个图就没有什么问题了。

 private void moveTail(DLinkNode node){//1.删除node节点remove(node);//2.将node查到末尾addToTail(node);}/*** 将node节点添加到尾节点* @param node*/private void addToTail(DLinkNode node){tail.prev.next = node;node.prev = tail.prev;node.next = tail;tail.prev = node;}/*** 将node节点删除* @param node*/private void remove(DLinkNode node){node.prev.next = node.next;node.next.prev = node.prev;}

效果如下：

插入节点：

对于一般数据结构来说插入和删除节点是所有基本操作中最难的，在LRUCache的插入中如果节点大于一个临界值的话，插入节点后要进行删除不常用的节点（头节点）😭😭😭。要分为节点已经存不存在两种情况来分情况讨论，如果已经存在的话就要更新节点对应的值，如果不存在的话先把节点插入末尾后再加入哈希表长度 + 1，当超过capacity是要把头节点删除同时要把它在哈希表的映射关系删除掉。🤩🤩🤩

public void put(int key,int val) {DLinkNode node = cache.get(key);if (node != null) {//1.如果key已经存在node.val = val;//更新节点的值moveTail(node);//将node节点移动到尾节点}else {//2.如果key不存在node = new DLinkNode(key, val);addToTail(node);cache.put(key, node);//将node节点添加到哈希表中usedSize++;//当超过LRUCache的容量if (usedSize > capacity) {DLinkNode removeNode = head.next;//要删除的节点，方便后续操作removeHead(removeNode);//删除头节点cache.remove(removeNode.key);usedSize--;}}}

删除同节点（removeHead）对应的源码如下：

画图画图画图🐳🐳🐳

private void removeHead(DLinkNode node){head.next = node.next;node.next.prev = head;}

对应效果如下：这里可能在get（2）这里可能有的友友不太理解，这是因为get（1）后会把节点1放在尾节点，2就成头节点了，所以在插入3节点是删除是2节点而不是1节点。

一样的在实现完代码后可以拿到上面LinkedHashMap给出的例题去跑一跑。

结语：

其实写博客不仅仅是为了教大家，同时这也有利于我巩固知识点，和做一个学习的总结，由于作者水平有限，对文章有任何问题还请指出，非常感谢。如果大家有所收获的话还请不要吝啬你们的点赞收藏和关注，这可以激励我写出更加优秀的文章。