带有过期时间的LRU实现(java版,面试算法高频题目)

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在很早之前学操作系统的时候见过这个算法,后来见到的越来越多,以至于刷面经的时候也看到了,总结一下:

一、什么是LRU


LRU全称是Least Recently Used,即最近最久未使用的意思。也就是说:如果一个数据在最近一段时间没有被使用,将来被使用的机会也比较小。

通常的使用场景就是缓存,比如说操作系统中的页面置换算法。实现的方案有很多,我看了很多博客,大多是给了四五种。这里为了简洁,只给出一种,是带有过期时间的。其他的实现类似,就交给聪明的你吧!!

解决方案:利用链表加HashMap

每次来一个新数据,首先判断map中是否含有,有的话就移动到队头,没有的话就新建一个节点,然后放进来就好,对于带过期时间的功能,只需要为每一个节点放一个过期时间,只要到了这个时间就直接删除即可。

带有过期时间的LRU实现(java版,面试算法高频题目)

还有一个问题:多线程环境下应该加锁,为了保证锁的灵活性,我们使用ConcurrentHashMap

OK,下面我们就开始实现:

二、代码实现




1、定义节点

//这个Node对用HashMap中每一个节点
class Node implements Comparable<Node{
    private String key;
    private Object value;
    private long expireTime;//注意这个过期时间是一个时间点,如11点11分
    public Node(String key, Object value, long expireTime) {
        this.value = value;
        this.key = key;
        this.expireTime = expireTime;
    }
    //按照过期时间进行排序
    @Override
    public int compareTo(Node o) {
        long r = this.expireTime - o.expireTime;
        if (r > 0)  return 1;
        if (r < 0return -1;
        return 0;
    }
}
2、LRU实现

public class LRU {
    // 变量1:用于设置清除过期数据的线程池
    private static ScheduledExecutorService swapExpiredPool 
                  = new ScheduledThreadPoolExecutor(10);
    // 变量2:用户存储数据,为了保证线程安全,使用了ConcurrentHashMap
    private ConcurrentHashMap<String, Node> cache = new ConcurrentHashMap<>(1024);
    // 变量3:保存最新的过期数据,过期时间最小的数据排在队列前
    private PriorityQueue<Node> expireQueue = new PriorityQueue<>(1024);
    // 构造方法:只要有缓存了,过期清除线程就开始工作
    public LRU() {
        swapExpiredPool.scheduleWithFixedDelay(new ExpiredNode(), 3,3,TimeUnit.SECONDS);
    }
    //还有代码。。。。。。。
}

现在我们定义了几个变量,然后还有一个构造方法,意思是只要启动了这个LRU,就开始清除。清除的线程是ExpiredNode。我们来看一下:

3、过期清除线程方法

这个方法也就是ExpiredNode,当做一个内部类在LRU中。

    public class ExpiredNode implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // 第一步:获取当前的时间
            long now = System.currentTimeMillis();
            while (true) {
                // 第二步:从过期队列弹出队首元素,如果不存在,或者不过期就返回
                Node node = expireQueue.peek();
                if (node == null || node.expireTime > now)return;
                // 第三步:过期了那就从缓存中删除,并且还要从队列弹出
                cache.remove(node.key);
                expireQueue.poll();
            }// 此过程为while(true),一直进行判断和删除操作
        }
    }

现在知道了过期清除方法,下面看看如何添加数据。

4、set方法

      public Object set(String key, Object value, long ttl) {
        // 第一步:获取过期时间点
        long expireTime = System.currentTimeMillis() + ttl;
        // 第二步:新建一个节点
        Node newNode = new Node(key, value, expireTime);
        // 第三步:cache中有的话就覆盖,没有就添加新的,过期时间队列也要添加
        Node old = cache.put(key, newNode);
        expireQueue.add(newNode);
        // 第四步:如果该key存在数据,还要从过期时间队列删除
        if (old != null) {
            expireQueue.remove(old);
            return old.value;
        }
        return null;
    }
5、get方法

这个方法就比较简单了,直接获取即可。

public Object get(String key) {
    //第一步:从cache直接获取,注意这个cache是一个HashMap
    Node n = cache.get(key);
    //第二步:如果n为空那就返回为null,不为空就返回相应的值
    return n == null ? null : n.value;
}

注意以上345的代码都存放在LRU中。

过期时间的我们已经知道了,其实就是添加了一个过期时间队列,和一个过期清除的线程,清除的时候使用while(true)每次判断队列队首是否过期,然后判断是否返回和清除。设置方法的时候还要把新的node添加到queue,把旧的移除掉。而且我们使用了ConcurrentHashMap保证了线程安全。

OK,今天的代码就先写到这。

带有过期时间的LRU实现(java版,面试算法高频题目)


原文始发于微信公众号(愚公要移山):带有过期时间的LRU实现(java版,面试算法高频题目)