图解缓存淘汰算法 LRU、LFU ｜ 最近最少使用、最不经常使用算法 ｜ go语言实现

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：

假设我们有这么一块内存，一共有26个数据存储块。

1. 当我们连续插入A、B、C、…Z的时候，此时内存已经插满了
2. 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。
3. 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   string
    value any

    // the frequency of key
    freq 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
    }returnnil}

当我们需要put进去一些东西的时候。会分以下几个步骤

1. 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。
2. 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。
3. 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 = value
        e.Value = n
        c.dl.MoveToFront(e)return}if c.size >= c.capacity {
        e = c.dl.Back()
        dk := e.Value.(item).key
        c.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]= ne
    c.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。

**

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：

1. 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。
2. 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
3. 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
4. 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

代码

定义一个

LFU

的结构体：

// LFU the Least Frequently Used (LFU) page-replacement algorithmtype LFU struct{lenint// lengthcapint// capacity
    minFreq int// The element that operates least frequently in LFU// key: key of element, value: value of element
    itemMap map[string]*list.Element

    // key: frequency of possible occurrences of all elements in the itemMap// value: elements with the same frequency
    freqMap 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 LFUfuncinitItem(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 LFUfunc(c *LFU)Get(key string) any {// if existed, will return valueif e, ok := c.itemMap[key]; ok {// the frequency of e +1 and change freqMap
        c.increaseFreq(e)
        obj := e.Value.(item)return obj.value
    }// if not existed, return nilreturnnil}

增加频率

// increaseFreq increase the frequency if elementfunc(c *LFU)increaseFreq(e *list.Element){
    obj := e.Value.(item)// remove from low frequency first
    oldLost := 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 removed
        c.minFreq++}// add to high frequency list
    c.insertMap(obj)}

插入key到LFU缓存中

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

// Put the key in LFU cachefunc(c *LFU)Put(key string, value any){if e, ok := c.itemMap[key]; ok {// if key existed, update the value
        obj := e.Value.(item)
        obj.value = value
        c.increaseFreq(e)}else{// if key not existed
        obj :=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 itemMap
        c.insertMap(obj)// change minFreq to 1 because insert the newest one
        c.minFreq =1// length++
        c.len++}}

插入一个新的

// insertMap insert item in mapfunc(c *LFU)insertMap(obj item){// add in freqMap
    l, 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 e
    c.itemMap[obj.key]= e
}

找到最少的链表，并且删除

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

以上就是所有LFU的算法实现了。