【算法备忘录】-(1)-LRU算法

LRU全称是Least Recently Used，即最近最久未使用的意思。

LRU算法的设计原则是：如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么在将来它被访问的可能性也很小。也就是说，当限定的空间已存满数据时，应当把最久没有被访问到的数据淘汰。

java实现LRU的方式

基于LRU的基础思想，本文整理三种实现方式

1. 用一个List来存储数据，给每一个数据项标记一个访问时间戳，每次插入新数据项的时候，先把List中存在的数据项的时间戳自增，并将新数据项的时间戳置为0并插入到List中。每次访问List中的数据项的时候，将被访问的数据项的时间戳置为0。当List空间已满时，将时间戳最大的数据项淘汰。
2. 利用一个链表来实现，每次新插入数据的时候将新数据插到链表的头部；每次缓存命中（即数据被访问），则将数据移到链表头部；那么当链表满的时候，就将链表尾部的数据丢弃。
3. 利用链表和hashmap。当需要插入新的数据项的时候，如果新数据项在链表中存在（一般称为命中），则把该节点移到链表头部，如果不存在，则新建一个节点，放到链表头部，若缓存满了，则把链表最后一个节点删除即可。在访问数据的时候，如果数据项在链表中存在，则把该节点移到链表头部，否则返回-1。这样一来在链表尾部的节点就是最近最久未访问的数据项。

实现方案

List方案

package pers.ascend.kukii.core.interview.algorithm.LRU算法.List;

import org.apache.commons.lang3.RandomStringUtils;

import java.io.Serializable;
import java.time.Duration;
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.ZoneId;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 说明：
 * 用一个数组来存储数据，给每一个数据项标记一个访问时间戳，每次插入新数据项的时候，先把数组中存在的数据项的时间戳自增，并将新数据项的时间戳置为0并
 * 插入到数组中。每次访问数组中的数据项的时候，将被访问的数据项的时间戳置为0。当数组空间已满时，将时间戳最大的数据项淘汰。
 *
 * @author ascend
 * 2020/11/17 15:36
 */
public class LRUByList {
    private static final Integer MAX_CAPACITY = 5;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 最多五条
        List<News> newsList = new ArrayList<>(5);
        // 每秒访问一次新闻，存在就返回，不存在就创建一条新闻
        for (int i = 0; i < 60; i++) {
            LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
            Long id = now.atZone(ZoneId.systemDefault()).toEpochSecond() - Double.valueOf(Math.random() * 10).intValue();
            Optional<News> first = newsList.stream().filter(m -> m.getId().equals(id)).findFirst();
            if (first.isPresent()) {
                System.out.println("新闻已存在:" + first.get());
                newsList.remove(first.get());
                newsList.add(first.get());
            } else {
                // 移除最新最少未访问的新闻
                removeEldest(newsList);
                // 添加一条新闻
                newsList.add(createNews(id));
            }
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println("当前新闻列表:" + newsList);
        }
    }

    private static boolean removeEldest(List<News> newsList) {
        // 当元素满了才移除
        LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
        if (newsList.size() >= MAX_CAPACITY) {
            int index = 0;
            Duration duration = Duration.ofSeconds(0);
            for (int i = 0; i < newsList.size(); i++) {
                Duration tmp = Duration.between(now, newsList.get(i).getTimestamp()).abs();
                if (tmp.getSeconds() > duration.getSeconds()) {
                    duration = tmp;
                    index = i;
                }
            }
            if (duration.getSeconds() != 0) {
                System.out.println("移除新闻:" + newsList.get(index));
                newsList.remove(index);
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    private static News createNews(Long id) {
        News news = new News();
        news.setId(id);
        news.setContent(RandomStringUtils.randomAlphabetic(20));
        news.setTimestamp(LocalDateTime.now());
        return news;
    }

}

/**
 * 新闻
 */
class News implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -1917142531644823833L;
    /**
     * 新闻id
     */
    private Long id;
    /**
     * 新闻内容
     */
    private String content;
    /**
     * 新闻时间戳
     */
    private LocalDateTime timestamp;

    public Long getId() {
        return id;
    }

    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public LocalDateTime getTimestamp() {
        return timestamp;
    }

    public void setTimestamp(LocalDateTime timestamp) {
        this.timestamp = timestamp;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "News{" +
                "id=" + id +
                ", content='" + content + '\'' +
                ", timestamp=" + timestamp +
                '}';
    }
}

链表方案

package pers.ascend.kukii.core.interview.algorithm.LRU算法.链表;

import org.apache.commons.lang3.RandomStringUtils;

import java.io.Serializable;
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.ZoneId;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 说明：
 * 利用一个链表来实现，每次新插入数据的时候将新数据插到链表的头部；每次缓存命中（即数据被访问），则将数据移到链表头部；那么当链表满的时候，就将链表
 * 尾部的数据丢弃。
 *
 * @author ascend
 * 2020/11/18 16:22
 */
public class LRUByLinkedList {
    private static final Integer MAX_CAPACITY = 5;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 最多五条
        LinkedList<News> newsList = new LinkedList<>();
        // 每秒访问一次新闻，存在就返回，不存在就创建一条新闻
        for (int i = 0; i < 60; i++) {
            LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
            Long id = now.atZone(ZoneId.systemDefault()).toEpochSecond() - Double.valueOf(Math.random() * 10).intValue();
            Optional<News> first = newsList.stream().filter(m -> m.getId().equals(id)).findFirst();
            if (first.isPresent()) {
                System.out.println("新闻已存在:" + first.get());
                newsList.remove(first.get());
                newsList.addLast(first.get());
            } else {
                // 移除最新最少未访问的新闻
                removeEldest(newsList);
                // 添加一条新闻
                newsList.offerLast(createNews(id));
            }
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println("当前新闻列表:" + newsList);
        }
    }

    private static boolean removeEldest(LinkedList<News> newsList) {
        // 当元素满了才移除
        if (newsList.size() >= MAX_CAPACITY) {
            News news = newsList.pollFirst();
            System.out.println("移除新闻:" + news);
            return true;
        }
        return false;
    }

    private static News createNews(Long id) {
        News news = new News();
        news.setId(id);
        news.setContent(RandomStringUtils.randomAlphabetic(3));
        return news;
    }

}

/**
 * 新闻
 */
class News implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8488842585714347062L;
    /**
     * 新闻id
     */
    private Long id;
    /**
     * 新闻内容
     */
    private String content;

    public Long getId() {
        return id;
    }

    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "News{" +
                "id=" + id +
                ", content='" + content + '\'' +
                '}';
    }
}

LinkedHashMap

package pers.ascend.kukii.core.interview.algorithm.lru算法.linkedhashmap;

import java.util.LinkedHashMap;

/**
 * 说明：
 *
 * @author ascend
 * 2020/11/19 7:57
 */
public class LRUByLinkedHashMap<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
    private static final long serialVersionUID = 645990055972332218L;

    public LRUByLinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) {
        super(initialCapacity, loadFactor, accessOrder);
    }

    /**
     * 重写LinkedHashMap中的removeEldestEntry方法，当LRU中元素多余6个时， 删除最不经常使用的元素
     */
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(java.util.Map.Entry<K, V> eldest) {
        return size() > 6;
    }

    public static void main(String[] args) {
        LRUByLinkedHashMap<Character, Integer> lru = new LRUByLinkedHashMap<>(16, 0.75f, true);

        String s = "abcdefghijkl";
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            lru.put(s.charAt(i), i);
        }
        System.out.println("LRU中key为h的Entry的值为： " + lru.get('h'));
        System.out.println("LRU的大小 ：" + lru.size());
        System.out.println("LRU ：" + lru);
    }
}