Java Redis 从零开始手写 - 缓存淘汰算法：LFU 最少使用频次

2024-01-13 16:20:59

LFU 算法：优化缓存淘汰的强大策略

在当今分布式系统的世界中，缓存扮演着至关重要的角色，它通过存储最近访问的数据来提高系统性能。然而，缓存容量有限，这就需要我们采用一种策略来决定保留哪些数据，淘汰哪些数据。在这方面，LFU（最近最少使用）算法脱颖而出，成为一种流行且有效的缓存淘汰策略。

了解 LFU 算法

LFU 算法基于一个简单的假设：访问频次越低的的数据越有可能被淘汰。换句话说，它认为我们更可能需要频繁访问的数据。为了实现这一目标，LFU 算法使用一个按访问频次排序的数据结构。

LFU 算法的原理

LFU 算法的核心数据结构是一个哈希表，其中每个键值对代表一个缓存中的数据项及其访问频次。哈希表按照频次升序组织，频次最小的数据项存储在哈希表的最前面。

当需要淘汰数据项时，LFU 算法从哈希表的最前面（频次最小）开始扫描，直到找到一个可以淘汰的数据项。为了更新频次，LFU 算法维护了一个额外的计数器，每当一个数据项被访问时，计数器就会增加。

Java 代码实现

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class LFUCache {

    private Map<Object, Integer> keyToFreqMap; // 键值对到访问频次的映射
    private Map<Integer, LinkedHashSet<Object>> freqToKeySetMap; // 访问频次到键值对集合的映射
    private int minFreq; // 最小访问频次
    private int capacity; // 缓存容量

    public LFUCache(int capacity) {
        this.keyToFreqMap = new HashMap<>();
        this.freqToKeySetMap = new HashMap<>();
        this.minFreq = 0;
        this.capacity = capacity;
    }

    public void put(Object key, Object value) {
        int freq = keyToFreqMap.getOrDefault(key, 0) + 1;
        keyToFreqMap.put(key, freq);
        LinkedHashSet<Object> keySet = freqToKeySetMap.getOrDefault(freq, new LinkedHashSet<>());
        keySet.add(key);
        freqToKeySetMap.put(freq, keySet);

        if (freq > minFreq) {
            minFreq = freq;
        }

        if (keyToFreqMap.size() > capacity) {
            LinkedHashSet<Object> minFreqSet = freqToKeySetMap.get(minFreq);
            Object keyToDelete = minFreqSet.iterator().next();
            minFreqSet.remove(keyToDelete);
            keyToFreqMap.remove(keyToDelete);
            if (minFreqSet.isEmpty()) {
                freqToKeySetMap.remove(minFreq);
                minFreq++;
            }
        }
    }

    public Object get(Object key) {
        Integer freq = keyToFreqMap.get(key);
        if (freq != null) {
            keyToFreqMap.put(key, freq + 1);
            LinkedHashSet<Object> keySet = freqToKeySetMap.get(freq);
            keySet.remove(key);
            keySet.add(key);
            freqToKeySetMap.put(freq, keySet);
            if (minFreq > 1 && freqToKeySetMap.get(minFreq).isEmpty()) {
                freqToKeySetMap.remove(minFreq);
                minFreq--;
            }
            return key;
        } else {
            return null;
        }
    }
}