LRU缓存介绍与实现 (Java)

LRU缓存：

LRU缓存利用了这样的一种思想。LRU是Least Recently Used 的缩写，翻译过来就是“最近最少使用”，也就是说，LRU缓存把最近最少使用的数据移除，让给最新读取的数据。而往往最常读取的，也是读取次数最多的，所以，利用LRU缓存，我们能够提高系统的performance.

实现：

要实现LRU缓存，我们首先要用到一个类 LinkedHashMap。 用这个类有两大好处：一是它本身已经实现了按照访问顺序的存储，也就是说，最近读取的会放在最前面，最最不常读取的会放在最后（当然，它也可以实现按照插入顺序存储）。第二，LinkedHashMap本身有一个方法用于判断是否需要移除最不常读取的数，但是，原始方法默认不需要移除（这是，LinkedHashMap相当于一个linkedlist），所以，我们需要override这样一个方法，使得当缓存里存放的数据个数超过规定个数后，就把最不常用的移除掉。LinkedHashMap的API写得很清楚，推荐大家可以先读一下。

import java.util.LinkedHashMap;  
import java.util.Collection;  
import java.util.Map;  
import java.util.ArrayList;  
  
/** 
* An LRU cache, based on <code>LinkedHashMap</code>. 
* 
* <p> 
* This cache has a fixed maximum number of elements (<code>cacheSize</code>). 
* If the cache is full and another entry is added, the LRU (least recently used) entry is dropped. 
* 
* <p> 
* This class is thread-safe. All methods of this class are synchronized. 
* 
* <p> 
* Author: Christian d'Heureuse, Inventec Informatik AG, Zurich, Switzerland<br> 
* Multi-licensed: EPL / LGPL / GPL / AL / BSD. 
*/  
public class LRUCache<K,V> {  
  
private static final float   hashTableLoadFactor = 0.75f;  
  
private LinkedHashMap<K,V>   map;  
private int                  cacheSize;  
  
/** 
* Creates a new LRU cache. 
* @param cacheSize the maximum number of entries that will be kept in this cache. 
*/  
public LRUCache (int cacheSize) {  
   this.cacheSize = cacheSize;  
   int hashTableCapacity = (int)Math.ceil(cacheSize / hashTableLoadFactor) + 1;  
   map = new LinkedHashMap<K,V>(hashTableCapacity, hashTableLoadFactor, true) {  
      // (an anonymous inner class)  
      private static final long serialVersionUID = 1;  
      @Override protected boolean removeEldestEntry (Map.Entry<K,V> eldest) {  
         return size() > LRUCache.this.cacheSize; }}; }  
  
/** 
* Retrieves an entry from the cache.<br> 
* The retrieved entry becomes the MRU (most recently used) entry. 
* @param key the key whose associated value is to be returned. 
* @return    the value associated to this key, or null if no value with this key exists in the cache. 
*/  
public synchronized V get (K key) {  
   return map.get(key); }  
  
/** 
* Adds an entry to this cache. 
* The new entry becomes the MRU (most recently used) entry. 
* If an entry with the specified key already exists in the cache, it is replaced by the new entry. 
* If the cache is full, the LRU (least recently used) entry is removed from the cache. 
* @param key    the key with which the specified value is to be associated. 
* @param value  a value to be associated with the specified key. 
*/  
public synchronized void put (K key, V value) {  
   map.put (key, value); }  
  
/** 
* Clears the cache. 
*/  
public synchronized void clear() {  
   map.clear(); }  
  
/** 
* Returns the number of used entries in the cache. 
* @return the number of entries currently in the cache. 
*/  
public synchronized int usedEntries() {  
   return map.size(); }  
  
/** 
* Returns a <code>Collection</code> that contains a copy of all cache entries. 
* @return a <code>Collection</code> with a copy of the cache content. 
*/  
public synchronized Collection<Map.Entry<K,V>> getAll() {  
   return new ArrayList<Map.Entry<K,V>>(map.entrySet()); }  
  
} // end class LRUCache  
------------------------------------------------------------------------------------------  
// Test routine for the LRUCache class.  
public static void main (String[] args) {  
   LRUCache<String,String> c = new LRUCache<String, String>(3);  
   c.put ("1", "one");                           // 1  
   c.put ("2", "two");                           // 2 1  
   c.put ("3", "three");                         // 3 2 1  
   c.put ("4", "four");                          // 4 3 2  
   if (c.get("2") == null) throw new Error();    // 2 4 3  
   c.put ("5", "five");                          // 5 2 4  
   c.put ("4", "second four");                   // 4 5 2  
   // Verify cache content.  
   if (c.usedEntries() != 3)              throw new Error();  
   if (!c.get("4").equals("second four")) throw new Error();  
   if (!c.get("5").equals("five"))        throw new Error();  
   if (!c.get("2").equals("two"))         throw new Error();  
   // List cache content.  
   for (Map.Entry<String, String> e : c.getAll())  
      System.out.println (e.getKey() + " : " + e.getValue()); }  

代码出自：http://www.source-code.biz/snippets/java/6.htm

在博客 http://gogole.iteye.com/blog/692103 里，作者使用的是双链表 + hashtable 的方式实现的。如果在面试题里考到如何实现LRU，考官一般会要求使用双链表 + hashtable 的方式。 所以，我把原文的部分内容摘抄如下：

双链表 + hashtable实现原理：

将Cache的所有位置都用双连表连接起来，当一个位置被命中之后，就将通过调整链表的指向，将该位置调整到链表头的位置，新加入的Cache直接加到链表头中。这样，在多次进行Cache操作后，最近被命中的，就会被向链表头方向移动，而没有命中的，而想链表后面移动，链表尾则表示最近最少使用的Cache。当需要替换内容时候，链表的最后位置就是最少被命中的位置，我们只需要淘汰链表最后的部分即可。

public class LRUCache {  
      
    private int cacheSize;  
    private Hashtable<Object, Entry> nodes;//缓存容器  
    private int currentSize;  
    private Entry first;//链表头  
    private Entry last;//链表尾  
      
    public LRUCache(int i) {  
        currentSize = 0;  
        cacheSize = i;  
        nodes = new Hashtable<Object, Entry>(i);//缓存容器  
    }  
      
    /** 
     * 获取缓存中对象,并把它放在最前面 
     */  
    public Entry get(Object key) {  
        Entry node = nodes.get(key);  
        if (node != null) {  
            moveToHead(node);  
            return node;  
        } else {  
            return null;  
        }  
    }  
      
    /** 
     * 添加 entry到hashtable, 并把entry  
     */  
    public void put(Object key, Object value) {  
        //先查看hashtable是否存在该entry, 如果存在，则只更新其value  
        Entry node = nodes.get(key);  
          
        if (node == null) {  
            //缓存容器是否已经超过大小.  
            if (currentSize >= cacheSize) {  
                nodes.remove(last.key);  
                removeLast();  
            } else {  
                currentSize++;  
            }             
            node = new Entry();  
        }  
        node.value = value;  
        //将最新使用的节点放到链表头，表示最新使用的.  
        moveToHead(node);  
        nodes.put(key, node);  
    }  
  
    /** 
     * 将entry删除, 注意：删除操作只有在cache满了才会被执行 
     */  
    public void remove(Object key) {  
        Entry node = nodes.get(key);  
        //在链表中删除  
        if (node != null) {  
            if (node.prev != null) {  
                node.prev.next = node.next;  
            }  
            if (node.next != null) {  
                node.next.prev = node.prev;  
            }  
            if (last == node)  
                last = node.prev;  
            if (first == node)  
                first = node.next;  
        }  
        //在hashtable中删除  
        nodes.remove(key);  
    }  
  
    /** 
     * 删除链表尾部节点，即使用最后 使用的entry 
     */  
    private void removeLast() {  
        //链表尾不为空,则将链表尾指向null. 删除连表尾（删除最少使用的缓存对象）  
        if (last != null) {  
            if (last.prev != null)  
                last.prev.next = null;  
            else  
                first = null;  
            last = last.prev;  
        }  
    }  
      
    /** 
     * 移动到链表头，表示这个节点是最新使用过的 
     */  
    private void moveToHead(Entry node) {  
        if (node == first)  
            return;  
        if (node.prev != null)  
            node.prev.next = node.next;  
        if (node.next != null)  
            node.next.prev = node.prev;  
        if (last == node)  
            last = node.prev;  
        if (first != null) {  
            node.next = first;  
            first.prev = node;  
        }  
        first = node;  
        node.prev = null;  
        if (last == null)  
            last = first;  
    }  
    /* 
     * 清空缓存 
     */  
    public void clear() {  
        first = null;  
        last = null;  
        currentSize = 0;  
    }  
  
}  
  
class Entry {  
    Entry prev;//前一节点  
    Entry next;//后一节点  
    Object value;//值  
    Object key;//键  
}  

转自：http://blog.csdn.net/beiyeqingteng/article/details/7010411