一、LRU 緩存的基本思想

LRU 緩存是一個(gè)有限大小的緩存，每當(dāng)緩存的容量達(dá)到上限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)刪除最近最少使用的緩存項(xiàng)。LRU 緩存常常用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形處理、操作系統(tǒng)等領(lǐng)域。

LRU 緩存的關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 使用最近使用的數(shù)據(jù)：緩存會(huì)保存最近訪問(wèn)過(guò)的數(shù)據(jù)。
2. 淘汰最少使用的數(shù)據(jù)：當(dāng)緩存空間滿時(shí)，刪除最近最少使用的項(xiàng)。
3. 維護(hù)訪問(wèn)順序：通常通過(guò)鏈表來(lái)維護(hù)緩存項(xiàng)的訪問(wèn)順序。

二、LRU 緩存實(shí)現(xiàn)的核心步驟

1. 緩存容量限制：緩存大小固定，當(dāng)容量達(dá)到上限時(shí)，需要?jiǎng)h除最少使用的緩存項(xiàng)。
2. 快速的查找與刪除操作：使用 Map 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供快速的查找和刪除功能，同時(shí)使用雙向鏈表來(lái)維護(hù)元素的訪問(wèn)順序。
3. 操作順序：每次訪問(wèn)緩存時(shí)，將該元素移動(dòng)到鏈表的頭部，表示它是最近使用的。超出容量時(shí)，將鏈表尾部的元素刪除。

三、LRU 緩存的 Java 實(shí)現(xiàn)

我們將使用 LinkedHashMap 來(lái)實(shí)現(xiàn) LRU 緩存。LinkedHashMap 保持了元素的插入順序，可以通過(guò)設(shè)置其 accessOrder 為 true 來(lái)確保按訪問(wèn)順序維護(hù)元素。

四、實(shí)現(xiàn)代碼

import java.util.*;
 
public class LRUCache<K, V> {
    private final int capacity;
    private final Map<K, V> cache;
    
    // 構(gòu)造函數(shù)，初始化容量并創(chuàng)建一個(gè)LinkedHashMap
    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        // LinkedHashMap 允許通過(guò)訪問(wèn)順序來(lái)維護(hù)插入順序
        this.cache = new LinkedHashMap<>(capacity, 0.75f, true);
    }
 
    // 獲取緩存中的值
    public V get(K key) {
        if (!cache.containsKey(key)) {
            return null;  // 如果緩存中沒(méi)有該項(xiàng)，返回null
        }
        return cache.get(key);  // 如果緩存中有該項(xiàng)，返回其值，并將其移動(dòng)到末尾（表示最近使用）
    }
 
    // 將元素添加到緩存中
    public void put(K key, V value) {
        if (cache.size() >= capacity) {
            // 如果緩存已滿，移除最少使用的元素（即鏈表頭部的元素）
            Iterator<Map.Entry<K, V>> iterator = cache.entrySet().iterator();
            if (iterator.hasNext()) {
                iterator.next();
                iterator.remove();
            }
        }
        cache.put(key, value);  // 將新的元素放入緩存
    }
 
    // 打印緩存中的內(nèi)容
    public void printCache() {
        System.out.println(cache);
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        LRUCache<Integer, String> lruCache = new LRUCache<>(3);
        
        // 向緩存添加元素
        lruCache.put(1, "A");
        lruCache.put(2, "B");
        lruCache.put(3, "C");
        
        // 打印緩存內(nèi)容
        lruCache.printCache();  // 輸出: {1=A, 2=B, 3=C}
 
        // 訪問(wèn)一些緩存項(xiàng)
        lruCache.get(1);  // 訪問(wèn)了 1
        lruCache.put(4, "D");  // 插入新的元素，容量已滿
        
        // 打印緩存內(nèi)容
        lruCache.printCache();  // 輸出: {3=C, 1=A, 4=D}  (2 被移除，最少使用)
        
        // 繼續(xù)訪問(wèn)一些緩存項(xiàng)
        lruCache.get(3);  // 訪問(wèn)了 3
        lruCache.put(5, "E");  // 插入新的元素
        
        // 打印緩存內(nèi)容
        lruCache.printCache();  // 輸出: {1=A, 3=C, 5=E}  (4 被移除)
    }
}

五、代碼解讀

1. LRUCache 類：

   • 使用 LinkedHashMap 來(lái)保存緩存數(shù)據(jù)。其構(gòu)造函數(shù)使用 true 作為第三個(gè)參數(shù) accessOrder，以確保緩存按訪問(wèn)順序排列。
   • get 方法用于獲取緩存中的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)存在，它會(huì)自動(dòng)將該數(shù)據(jù)移動(dòng)到最近使用的位置（鏈表的末尾）。
   • put 方法用于將數(shù)據(jù)添加到緩存中。如果緩存已滿，則刪除最少使用的數(shù)據(jù)（鏈表頭部元素）。

2. 緩存容量控制：

   • 當(dāng)緩存的元素?cái)?shù)量達(dá)到指定容量時(shí)，put 方法會(huì)通過(guò)迭代器移除鏈表頭部的元素，保證緩存不會(huì)超出最大容量。

3. printCache 方法：

   • 用于打印當(dāng)前緩存的內(nèi)容，幫助調(diào)試和查看緩存狀態(tài)。

4. main 方法：

   • 通過(guò)示例演示如何使用 LRU 緩存。
   • 向緩存添加了多個(gè)元素，然后訪問(wèn)了一些元素并查看緩存中剩余的內(nèi)容。

六、LRU 緩存的工作原理

1. 緩存初始化：當(dāng)初始化 LRUCache 時(shí)，指定緩存的最大容量。
2. 緩存添加：通過(guò) put 方法向緩存添加元素。如果緩存已滿，會(huì)刪除最少使用的元素。
3. 緩存訪問(wèn)：通過(guò) get 方法訪問(wèn)緩存中的元素，訪問(wèn)后元素會(huì)被標(biāo)記為最近使用。
4. LRU 刪除機(jī)制：當(dāng)容量達(dá)到上限時(shí)，刪除鏈表頭部的元素，即最近最少使用的元素。

七、總結(jié)

• LRU 緩存 是一種常見(jiàn)的緩存替換策略，用于處理有限大小緩存中的數(shù)據(jù)。它通過(guò)追蹤元素的使用順序來(lái)確保刪除最少使用的元素。
• 本文介紹了如何使用 LinkedHashMap 在 Java 中實(shí)現(xiàn) LRU 緩存。通過(guò)合理利用 LinkedHashMap 的順序特性，能夠在訪問(wèn)緩存時(shí)保持元素的順序，確保我們能夠在緩存滿時(shí)刪除最少使用的元素。

這個(gè)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)簡(jiǎn)化版本，適合用于小型緩存場(chǎng)景，若需要更復(fù)雜的緩存控制（如并發(fā)支持等），可以進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)展。

以上就是Java實(shí)現(xiàn)LRU緩存的代碼詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java LRU緩存的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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