LRU -- Javascript实现版本（核心代码只有10行）

Posted 2021-11-01 奋飛

LRU（Least Recently Used）

LRU 最近最少使用，是一种常见的淘汰（置换）算法，选择最近最久未使用的予以淘汰。常用于内存管理。

浏览器 IndexedDB 达到存储上限后，自动清理采用的策略正是 LRU。

当可用磁盘空间已满时，配额管理器将根据LRU策略开始清除数据——最近最少使用的源将首先被删除，然后是下一个，直到浏览器不再超过限制。

我们使用临时存储跟踪每个源的“上次访问时间”。 一旦达到临时存储的全局限制（之后会有更多限制），我们将尝试查找所有当前未使用的源（即没有打开选项卡/应用程序的那些来保持打开的数据存储）。 然后根据“上次访问时间”对它们进行排序。 然后删除最近最少使用的源，直到有足够的空间来满足触发此源回收的请求。

– IndexedDB LRU策略

要求：初始化时指定最大容量 capacity，当缓存填满时，删除最近最少使用的项。

算法实现：双向链表 + 哈希表

• 节点：Node {key, value, pre, post}

  • key、value
  • pre、post： 前置及后置节点，插入使用

• 双向链表：DualLinkedList {head, tail, remove(), add()}
  按照被使用的顺序存储 node，头部head为最近使用的，尾部tail是最久未使用的。

  • head、tail：头及尾节点
  • remove()：移除节点
  • add()：添加节点（追加到 head 节点之后）

• 定义 Hash 表：cacheMap {key, node}
  以 key 为索引，每个索引对应存放相应的 node 节点

/* 节点 */
class Node {
    constructor (key, value) {
        this.key = key
        this.value = value
        this.pre = null		// 前置节点
        this.post = null  // 后置节点
    }
}

/* 双向链表 */
class DualLinkedList {
    constructor () {
        this.head = new Node()
        this.tail = new Node()
        this.head.post = this.tail
        this.tail.pre = this.head
    }

    remove (node) {
        node.pre.post = node.post
        node.post.pre = node.pre
    }
    
    // 添加到开始处（head后）
    add (node) {
        node.pre = this.head
        this.head.post.pre = node
        node.post = this.head.post
        this.head.post = node
    }   
}

/* LRU算法 */
class LRUCache {
    constructor (capacity) {
        this.capacity = capacity		// 最大容量
        this.size = 0						  	// 已使用容量

        this.list = new DualLinkedList()
        this.cacheMap = new Map()   // key-node
    }
  
    /* 根据key获取value（不存在返回-1），借助cacheMap实现 */
    get (key) {
        if (this.cacheMap.has(key)) {
            let node = this.cacheMap.get(key)
            this.list.remove(node)
            this.list.add(node)
            return node.value
        }
        return -1
    }

  	/* 添加节点 */
    put (key, value) {
        let node = new Node(key, value)
        // 已存在移到head处
        if (this.cacheMap.has(key)) {
            let oNode = this.cacheMap.get(key)
            this.list.remove(oNode)
            this.list.add(node)
            this.cacheMap.set(key, node)
            return
        }
      	// 不存在需要追加
        this.list.add(node)
        this.cacheMap.set(key, node)
        this.size += 1
      	// 容量超出，删除尾部节点（最久未使用）
        if (this.size > this.capacity) {
            let lastNode = this.list.tail.pre 
            this.list.remove(lastNode)
            this.cacheMap.delete(lastNode.key)
        }
    }
}

复杂度：

• 时间复杂度：对于 put 和 get 都是 O(1)。
• 空间复杂度：O(capacity)

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map 具备 LRU 特性

map.delete(key) 再 map.set(key, value) 则 map 对应的key被移到了尾部。

示例：map 具备 LRU 性质

let map = new Map()
map.set('a', 1)
map.set('b', 2)
map.set('c', 3)
console.log(map)	// {'a' => 1, 'b' => 2, 'c' => 3}
map.delete('b')
console.log(map)	// {'a' => 1, 'c' => 3}
map.set('b', 2)
console.log(map)	// {'a' => 1, 'c' => 3, 'b' => 2}

LRU 实现： 和上述不同的是，最近被使用的存储在 map 最后，第一个 key 为最久未被使用的。

var LRUCache = function (capacity) {
    this.capacity = capacity
    this.cacheMap = new Map()
}

LRUCache.prototype.get = function (key) {
    if (this.cacheMap.has(key)) {
        const value = this.cacheMap.get(key)
        this.cacheMap.delete(key)
        this.cacheMap.set(key, value)		// 重新插入的 key-value 被追加到了尾部
        return value
    } else {
        return -1
    }
}

LRUCache.prototype.put = function (key, value) {
    if (this.cacheMap.has(key)) this.cacheMap.delete(key)	// 存在删除当前 key
    if (this.cacheMap.size === this.capacity) this.cacheMap.delete(this.cacheMap.keys().next().value)	// 删除第一个 key 值
    this.cacheMap.set(key, value)
}

复杂度：

• 时间复杂度：对于 put 和 get 都是 $O(1)$。
• 空间复杂度：$O(capacity)$