《算法 - Lru算法》

一：概述

　　- LRU 用于管理缓存策略，其本身在 Linux/Redis/Mysql 中均有实现。只是实现方式不尽相同。

　　- LRU 算法【Least recently used（最近最少使用）】

　　- 根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是 "如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高"。

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二：单链表实现的 Lru 算法

　　- 思路

　　　　- 单链表实现

　　- 流程

　　　　- 1. 新数据插入到链表头部；

　　　　- 2. 每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到链表头部；

　　　　- 3. 当链表满的时候，将链表尾部的数据丢弃。

　　- 优点

　　　　- 实现简单。

　　　　- 当存在热点数据时，LRU的效率很好。

　　- 缺点

　　　　- 偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降，缓存污染情况比较严重。

　　　　- 命中时需要遍历链表，找到命中的数据块索引，然后需要将数据移到头部。

　　- 流程图

　　　　- 

　　- 代码实现(PHP)

• • /**
     * 思路
     *     单链表实现
     * 原理
     *     单链表
     * 流程
     *     1. 新数据插入到链表头部；
     *     2. 每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到链表头部；
     *     3. 当链表满的时候，将链表尾部的数据丢弃。
     * 优点
     *     实现简单。
     *     当存在热点数据时，LRU的效率很好。
     * 缺点
     *     偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降，缓存污染情况比较严重。
     *     命中时需要遍历链表，找到命中的数据块索引，然后需要将数据移到头部。
     */
    class Lru
    {
        public static $lruList = []; // 顺序存储单链表结构
        public static $maxLen  = ;  // 链表允许最大长度
        public static $nowLen  = ;  // 链表当前长度
     
        /**
         * LRU_1 constructor.
         * 由于 PHP 不是常驻进程程序，所以链表初始化可以通过 Mysql/Redis 实现
         */
        public function __construct()
        {
            self::$lruList = [];
            self::$nowLen  = count(self::$lruList);
        }
     
        /**
         * 获取 key => value
         * @param $key
         * @return null
         */
        public function get($key)
        {
            $value = null;
     
            // lru 队列为空，直接返回
            if (!self::$lruList) {
                self::$lruList[] = [$key => $this->getData($key)]; // 根据实际项目情况获取数据
                self::$nowLen++;
                return $value;
            }
     
            // 查找 lru 缓存
            for ($i = ; $i < self::$nowLen; $i++) {
     
                // 如果存在缓存，则直接返回，并将数据重新插入链表头部
                if (isset(self::$lruList[$i][$key])) {
     
                    $value = self::$lruList[$i][$key];
     
                    unset(self::$lruList[$i]);
     
                    array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]);
     
                    break;
                }
            }
     
            // 如果没有找到 lru 缓存
            if (!isset($value)) {
     
                // 插入头部
                array_unshift(self::$lruList, [$key => $this->getData($key)]); // 根据实际项目情况获取数据
                self::$nowLen++;
     
                if (self::$nowLen > self::$maxLen) {
                    self::$nowLen--;
                    array_pop(self::$lruList);
                }
            }
     
            return $value;
     
        }
     
        /**
         * 输出 Lru 队列
         */
        public function echoLruList()
        {
            var_dump(self::$lruList);
        }
     
        /**
         * 根据真实环境获取数据
         * @param $key
         * @return string
         */
        public function getData($key)
        {
            return 'data';
        }
    }

三：Lru K 算法

　　- 思路

　　　　- 为了避免 LRU 的 '缓存污染' 问题

　　　　- 增加一个队列来维护缓存出现的次数。其核心思想是将“最近使用过1次”的判断标准扩展为“最近使用过K次”。

　　- 原理

　　　　- 相比LRU，LRU-K需要多维护一个队列，用于记录所有缓存数据被访问的历史。

　　　　- 只有当数据的访问次数达到K次的时候，才将数据放入缓存。

　　　　- 当需要淘汰数据时，LRU-K会淘汰第K次访问时间距当前时间最大的数据.

　　- 流程

　　　　- 1.数据第一次被访问，加入到访问历史列表；

　　　　- 2.如果数据在访问历史列表里后没有达到K次访问，则按照一定规则 LRU淘汰；

　　　　- 3.当访问历史队列中的数据访问次数达到K次后，将数据索引从历史队列删除，将数据移到缓存队列中，并缓存此数据，缓存队列重新按照时间排序；

　　　　- 4.缓存数据队列中被再次访问后，重新排序；

　　　　- 5.需要淘汰数据时，淘汰缓存队列中排在末尾的数据，即：淘汰“倒数第K次访问离现在最久”的数据。

　　- 优点

　　　　- LRU-K降低了“缓存污染”带来的问题，命中率比LRU要高。

　　- 缺点

　　　　- LRU-K队列是一个优先级队列，算法复杂度和代价比较高。

　　　　- 由于LRU-K还需要维护历史队列，所以消耗的内存会更多。

　　- 流程图

　　　　- 

　　- 代码实现

• • /**
     * 思路
     *     为了避免 LRU 的 '缓存污染' 问题
     *     增加一个队列来维护缓存出现的次数。其核心思想是将“最近使用过1次”的判断标准扩展为“最近使用过K次”。
     * 原理
     *     相比LRU，LRU-K需要多维护一个队列，用于记录所有缓存数据被访问的历史。
     *     只有当数据的访问次数达到K次的时候，才将数据放入缓存。
     *     当需要淘汰数据时，LRU-K会淘汰第K次访问时间距当前时间最大的数据
     * 流程
     *     1.数据第一次被访问，加入到访问历史列表；
     *     2.如果数据在访问历史列表里后没有达到K次访问，则按照一定规则 LRU淘汰；
     *     3.当访问历史队列中的数据访问次数达到K次后，将数据索引从历史队列删除，将数据移到缓存队列中，并缓存此数据，缓存队列重新按照时间排序；
     *     4.缓存数据队列中被再次访问后，重新排序；
     *     5.需要淘汰数据时，淘汰缓存队列中排在末尾的数据，即：淘汰“倒数第K次访问离现在最久”的数据。
     * 优点
     *     LRU-K降低了“缓存污染”带来的问题，命中率比LRU要高。
     * 缺点
     *     LRU-K队列是一个优先级队列，算法复杂度和代价比较高。
     *     由于LRU-K还需要维护历史队列，所以消耗的内存会更多。
     */
    class Lru_K
    {
        public static $historyList = []; // 访问历史队列
        public static $lruList     = []; // 顺序存储单链表结构
        public static $maxLen      = ;  // 链表允许最大长度
        public static $nowLen      = ;  // 链表当前长度
     
        /**
         * LRU_K constructor.
         * 由于 PHP 不是常驻进程程序，所以链表初始化可以通过 Mysql/Redis 实现
         */
        public function __construct()
        {
            self::$lruList     = [];
            self::$historyList = [];
            self::$nowLen      = count(self::$lruList);
        }
     
        /**
         * 获取 key => value
         * @param $key
         * @return null
         */
        public function get($key)
        {
            $value = null;
     
            // 查找 lru 缓存
            for ($i = ; $i < self::$nowLen; $i++) {
     
                // 如果存在缓存，则直接返回，并将数据重新插入链表头部
                if (isset(self::$lruList[$i][$key])) {
     
                    $value = self::$lruList[$i][$key];
     
                    unset(self::$lruList[$i]);
     
                    array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]);
     
                    break;
                }
            }
     
            // 如果没有找到 lru 缓存, 则进入历史队列进行计数，当次数大于等于5时候，进入缓存队列
            if (!isset($value)) {
                self::$historyList[$key]++;
     
                $value = $this->getData($key);
     
                // 进入缓存队列
                if (self::$historyList[$key] >= ) {
                    array_unshift(self::$lruList, [$key => $value]); // 根据实际项目情况获取数据
                    self::$nowLen++;
     
                    if (self::$nowLen > self::$maxLen) {
                        self::$nowLen--;
                        array_pop(self::$lruList);
                    }
     
                    unset(self::$historyList[$key]); // 历史队列推出
                }
            }
     
            return $value;
     
        }
     
        /**
         * 输出 Lru 队列
         */
        public function echoLruList()
        {
            var_dump(self::$lruList);
            var_dump(self::$historyList);
        }
     
        /**
         * 根据真实环境获取数据
         * @param $key
         * @return string
         */
        public function getData($key)
        {
            return 'data';
        }
    }