使用 Go 语言实现 LRU 缓存

在日常开发中，缓存是提高系统性能的重要手段。LRU（Least Recently Used）缓存是一种基于“最近最少使用”策略的缓存系统，其目的是在空间受限的情况下保留最新、最常用的数据。当缓存空间不足时，LRU 缓存会优先淘汰最久未被使用的数据，从而保持缓存的时效性。本文将详细讲解如何使用 Go 语言实现一个 LRU 缓存。

LRU 缓存的关键特性

• 快速访问缓存内容：Get 操作的时间复杂度为 (O(1))。
• 快速插入和更新缓存：Put 操作的时间复杂度也为 (O(1))。
• 淘汰最久未使用的数据：当缓存满时，移除最久未访问的数据。

数据结构选型

为了实现 LRU 缓存的上述特性，常用的数据结构组合为 哈希表 和 双向链表：

• 哈希表：用于快速访问缓存节点。
• 双向链表：管理节点的访问顺序。每次访问时，将节点移动到链表头部；当缓存满时，移除链表尾部节点（即最久未访问的数据）。

通过这种组合，Get 和 Put 的时间复杂度均为 (O(1))。

LRU 缓存的结构设计

在 LRU 缓存的设计中，我们需要以下两个核心组件：

1. 双向链表节点 Node：

   • 存储缓存的 key 和 value。
   • 通过 prev 和 next 指针指向前后节点。

2. LRUCache 缓存结构：

   • capacity：缓存的容量。
   • cache：使用 map[int]*Node 作为哈希表，存储键值对和链表节点的映射。
   • head 和 tail：虚拟头尾节点，用于链表的边界处理，避免在插入和删除操作时对边界条件进行额外判断。

操作流程图

下面是 LRU 缓存的整体操作流程概览：