Java实现LRU算法

一。LRU算法简介

LRU（Least Recently Used）最近最久未使用算法

常见应用场景：内存管理中的页面置换算法、缓存淘汰中的淘汰策略等

二。实现理论

　　底层结构：双向链表 + HashMap ，双向链表由特定的哈希节点组成。

（1）访问节点时，将其从原来位置删除，插入到双向链表头部；

（2）更新节点时，先删除原有缓存数据（即原有节点），然后更新map映射，再将更新值作为节点插入链表头；更新后，判断容量是否超过最大内存使用量

（3）超过则执行淘汰；淘汰即删除双向链表最后一个节点，同时删除map中的映射

（4）LRU实现中有频繁的查找节点并删除，为节省时间（链表查找目标节点需要遍历），使用HashMap保存键-节点映射关系，O(1)的查找+O(1)的删除

（5）LRU实现中，要频繁的在头部插入，以及在尾部删除；因此，需要定义head、tail两个节点，方便操作

 

三。代码

 package com.xl.Base;

 import java.util.HashMap;
 import java.util.Iterator;

 /**
  *    最近最久未使用淘汰策略
  *    基于 双向链表 + 哈希表组成，其中双向链表由哈希链表节点构成
  *    封装为 LRU(K, V)
  *    对外提供 get(K)访问数据、put(K, V)更新数据、Iterator()遍历数据
  */
 public class LRU<K, V> implements Iterable<K>{

     private Node head;
     private Node tail;
     //记录K-Node映射，便于快速查找目标数据对应节点
     private HashMap<K, Node> map;
     private int maxSize;

     //哈希链表节点类 Node
     private class Node{
         Node pre;
         Node next;
         K k;
         V v;

         //Node对外提供构造方法
         public Node(K k, V v) {
             this.k = k;
             this.v = v;
         }
     }

     //初始化时必须传入最大可用内存容量
     public LRU(int maxSize){
         this.maxSize = maxSize;
         //HashMap初始容量设置为 maxSize * 4/3，即达到最大可用内存时，HashMap也不会自动扩容浪费空间
         this.map = new HashMap<>(maxSize * 4 / 3);

         head.next = tail;
         tail.pre = head;
     }

     //获取指定数据
     private V get(K key) {
         //判断是否存在对应数据
         if(!map.containsKey(key)) {
             return null;
         }

         //最新访问的数据移动到链表头
         Node node = map.get(key);
         remove(node);
         addFirst(node);
         return node.v;
     }

     //更新旧数据或添加数据
     private void put(K key, V value) {
         //若存在旧数据则删除
         if(map.containsKey(key)) {
             Node node = map.get(key);
             remove(node);
         }

         //新数据对应节点插入链表头
         Node node = new Node(key, value);
         map.put(key, node);
         addFirst(node);

         //判断是否需要淘汰数据
         if(map.size() > maxSize) {
             removeLast();
             //数据节点淘汰后，同时删除map中的映射
             map.remove(node.k);
         }
     }

     //将指定节点插入链表头
     private void addFirst(Node node) {
         Node next = head.next;

         head.next = node;
         node.pre = head;

         node.next = next;
         next.pre = node;
     }

     //从链表中删除指定节点
     private void remove(Node node) {
         Node pre = node.pre;
         Node next = node.next;

         pre.next = next;
         next.pre = pre;

         node.next = null;
         node.pre = null;
     }

     //淘汰数据
     private Node removeLast() {
         //找到最近最久未使用的数据所对应节点
         Node node = tail.pre;

         //淘汰该节点
         remove(node);

         return node;
     }

     //通过迭代器遍历所有数据对应键
     @Override
     public Iterator<K> iterator() {
         return new Iterator<K>() {

             private Node cur = head.next;

             @Override
             public boolean hasNext() {
                 return cur != tail;
             }

             @Override
             public K next() {
                 Node node = cur;
                 cur = cur.next;
                 return node.k;
             }

         };
     }

 }