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Java 实现缓存(LRU,FIFO)

2022年07月18日25shihaiming

Java实现缓存(LRU,FIFO)

现在软件或者网页的并发量越来越大了,大量请求直接操作数据库会对数据库造成很大的压力,处理大量连接和请求就会需要很长时间,但是实际中百分之80的数据是很少更改的,这样就可以引入缓存来进行读取,减少数据库的压力。

常用的缓存有Redis和memcached,但是有时候一些小场景就可以直接使用Java实现缓存,就可以满足这部分服务的需求。

缓存主要有LRU和FIFO,LRU是Least Recently Used的缩写,即最近最久未使用,FIFO就是先进先出,下面就使用Java来实现这两种缓存。

LRU

LRU缓存的思想

  • 固定缓存大小,需要给缓存分配一个固定的大小。
  • 每次读取缓存都会改变缓存的使用时间,将缓存的存在时间重新刷新。
  • 需要在缓存满了后,将最近最久未使用的缓存删除,再添加最新的缓存。

按照如上思想,可以使用LinkedHashMap来实现LRU缓存。

这是LinkedHashMap的一个构造函数,传入的第三个参数accessOrder为true的时候,就按访问顺序对LinkedHashMap排序,为false的时候就按插入顺序,默认是为false的。
当把accessOrder设置为true后,就可以将最近访问的元素置于最前面,这样就可以满足上述的第二点。

/** 
 * Constructs an empty <tt>LinkedHashMap</tt> instance with the  * specified initial capacity, load factor and ordering mode.  *  * @param  initialCapacity the initial capacity  * @param  loadFactor  the load factor  * @param accessOrder the ordering mode - <tt>true</tt> for  * access-order, <tt>false</tt> for insertion-order  * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative  * or the load factor is nonpositive  */ public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) { super(initialCapacity, loadFactor); this.accessOrder = accessOrder; }

这是LinkedHashMap中另外一个方法,当返回true的时候,就会remove其中最久的元素,可以通过重写这个方法来控制缓存元素的删除,当缓存满了后,就可以通过返回true删除最久未被使用的元素,达到LRU的要求。这样就可以满足上述第三点要求。

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) { return false; }

由于LinkedHashMap是为自动扩容的,当table数组中元素大于Capacity * loadFactor的时候,就会自动进行两倍扩容。但是为了使缓存大小固定,就需要在初始化的时候传入容量大小和负载因子。
为了使得到达设置缓存大小不会进行自动扩容,需要将初始化的大小进行计算再传入,可以将初始化大小设置为(缓存大小 / loadFactor) + 1,这样就可以在元素数目达到缓存大小时,也不会进行扩容了。这样就解决了上述第一点问题。

通过上面分析,实现下面的代码

import java.util.LinkedHashMap; 
import java.util.Map; 
import java.util.Set; public class LRU1<K, V> { private final int MAX_CACHE_SIZE; private final float DEFAULT_LOAD_FACTORY = 0.75f; LinkedHashMap<K, V> map; public LRU1(int cacheSize) { MAX_CACHE_SIZE = cacheSize; int capacity = (int)Math.ceil(MAX_CACHE_SIZE / DEFAULT_LOAD_FACTORY) + 1; /*  * 第三个参数设置为true,代表linkedlist按访问顺序排序,可作为LRU缓存  * 第三个参数设置为false,代表按插入顺序排序,可作为FIFO缓存  */ map = new LinkedHashMap<K, V>(capacity, DEFAULT_LOAD_FACTORY, true) { @Override protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) { return size() > MAX_CACHE_SIZE; } }; } public synchronized void put(K key, V value) { map.put(key, value); } public synchronized V get(K key) { return map.get(key); } public synchronized void remove(K key) { map.remove(key); } public synchronized Set<Map.Entry<K, V>> getAll() { return map.entrySet(); } @Override public String toString() { StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(); for (Map.Entry<K, V> entry : map.entrySet()) { stringBuilder.append(String.format("%s: %s ", entry.getKey(), entry.getValue())); } return stringBuilder.toString(); } public static void main(String[] args) { LRU1<Integer, Integer> lru1 = new LRU1<>(5); lru1.put(1, 1); lru1.put(2, 2); lru1.put(3, 3); System.out.println(lru1); lru1.get(1); System.out.println(lru1); lru1.put(4, 4); lru1.put(5, 5); lru1.put(6, 6); System.out.println(lru1); } }

运行结果:

从运行结果中可以看出,实现了LRU缓存的思想。

接着使用HashMap和链表来实现LRU缓存。

主要的思想和上述基本一致,每次添加元素或者读取元素就将元素放置在链表的头,当缓存满了之后,就可以将尾结点元素删除,这样就实现了LRU缓存。

这种方法中是通过自己编写代码移动结点和删除结点,为了防止缓存大小超过限制,每次进行put的时候都会进行检查,若缓存满了则删除尾部元素。

import java.util.HashMap; 
 
/**  * 使用cache和链表实现缓存  */ public class LRU2<K, V> { private final int MAX_CACHE_SIZE; private Entry<K, V> head; private Entry<K, V> tail; private HashMap<K, Entry<K, V>> cache; public LRU2(int cacheSize) { MAX_CACHE_SIZE = cacheSize; cache = new HashMap<>(); } public void put(K key, V value) { Entry<K, V> entry = getEntry(key); if (entry == null) { if (cache.size() >= MAX_CACHE_SIZE) { cache.remove(tail.key); removeTail(); } entry = new Entry<>(); entry.key = key; entry.value = value; moveToHead(entry); cache.put(key, entry); } else { entry.value = value; moveToHead(entry); } } public V get(K key) { Entry<K, V> entry = getEntry(key); if (entry == null) { return null; } moveToHead(entry); return entry.value; } public void remove(K key) { Entry<K, V> entry = getEntry(key); if (entry != null) { if (entry == head) { Entry<K, V> next = head.next; head.next = null; head = next; head.pre = null; } else if (entry == tail) { Entry<K, V> prev = tail.pre; tail.pre = null; tail = prev; tail.next = null; } else { entry.pre.next = entry.next; entry.next.pre = entry.pre; } cache.remove(key); } } private void removeTail() { if (tail != null) { Entry<K, V> prev = tail.pre; if (prev == null) { head = null; tail = null; } else { tail.pre = null; tail = prev; tail.next = null; } } } private void moveToHead(Entry<K, V> entry) { if (entry == head) { return; } if (entry.pre != null) { entry.pre.next = entry.next; } if (entry.next != null) { entry.next.pre = entry.pre; } if (entry == tail) { Entry<K, V> prev = entry.pre; if (prev != null) { tail.pre = null; tail = prev; tail.next = null; } } if (head == null || tail == null) { head = tail = entry; return; } entry.next = head; head.pre = entry; entry.pre = null; head = entry; } private Entry<K, V> getEntry(K key) { return cache.get(key); } private static class Entry<K, V> { Entry<K, V> pre; Entry<K, V> next; K key; V value; } @Override public String toString() { StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(); Entry<K, V> entry = head; while (entry != null) { stringBuilder.append(String.format("%s:%s ", entry.key, entry.value)); entry = entry.next; } return stringBuilder.toString(); } public static void main(String[] args) { LRU2<Integer, Integer> lru2 = new LRU2<>(5); lru2.put(1, 1); System.out.println(lru2); lru2.put(2, 2); System.out.println(lru2); lru2.put(3, 3); System.out.println(lru2); lru2.get(1); System.out.println(lru2); lru2.put(4, 4); lru2.put(5, 5); lru2.put(6, 6); System.out.println(lru2); } }

运行结果:

FIFO

FIFO就是先进先出,可以使用LinkedHashMap进行实现。
当第三个参数传入为false或者是默认的时候,就可以实现按插入顺序排序,就可以实现FIFO缓存了。

/** 
 * Constructs an empty <tt>LinkedHashMap</tt> instance with the  * specified initial capacity, load factor and ordering mode.  *  * @param  initialCapacity the initial capacity  * @param  loadFactor  the load factor  * @param accessOrder the ordering mode - <tt>true</tt> for  * access-order, <tt>false</tt> for insertion-order  * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative  * or the load factor is nonpositive  */ public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder) { super(initialCapacity, loadFactor); this.accessOrder = accessOrder; }

实现代码跟上述使用LinkedHashMap实现LRU的代码基本一致,主要就是构造函数的传值有些不同。

import java.util.LinkedHashMap; 
import java.util.Map; 
import java.util.Set; public class LRU1<K, V> { private final int MAX_CACHE_SIZE; private final float DEFAULT_LOAD_FACTORY = 0.75f; LinkedHashMap<K, V> map; public LRU1(int cacheSize) { MAX_CACHE_SIZE = cacheSize; int capacity = (int)Math.ceil(MAX_CACHE_SIZE / DEFAULT_LOAD_FACTORY) + 1; /*  * 第三个参数设置为true,代表linkedlist按访问顺序排序,可作为LRU缓存  * 第三个参数设置为false,代表按插入顺序排序,可作为FIFO缓存  */ map = new LinkedHashMap<K, V>(capacity, DEFAULT_LOAD_FACTORY, false) { @Override protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) { return size() > MAX_CACHE_SIZE; } }; } public synchronized void put(K key, V value) { map.put(key, value); } public synchronized V get(K key) { return map.get(key); } public synchronized void remove(K key) { map.remove(key); } public synchronized Set<Map.Entry<K, V>> getAll() { return map.entrySet(); } @Override public String toString() { StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(); for (Map.Entry<K, V> entry : map.entrySet()) { stringBuilder.append(String.format("%s: %s ", entry.getKey(), entry.getValue())); } return stringBuilder.toString(); } public static void main(String[] args) { LRU1<Integer, Integer> lru1 = new LRU1<>(5); lru1.put(1, 1); lru1.put(2, 2); lru1.put(3, 3); System.out.println(lru1); lru1.get(1); System.out.println(lru1); lru1.put(4, 4); lru1.put(5, 5); lru1.put(6, 6); System.out.println(lru1); } }

运行结果:

以上就是使用Java实现这两种缓存的方式,从中可以看出,LinkedHashMap实现缓存较为容易,因为底层函数对此已经有了支持,自己编写链表实现LRU缓存也是借鉴了LinkedHashMap中实现的思想。在Java中不只是这两种数据结构可以实现缓存,比如ConcurrentHashMap、WeakHashMap在某些场景下也是可以作为缓存的,到底用哪一种数据结构主要是看场景再进行选择,但是很多思想都是可以通用的。


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