两种缓存淘汰算法LFU&LRU

Posted 爱养花的码农

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了两种缓存淘汰算法LFU&LRU相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

LRU全称是Least Recently Used,即最近最久未使用的意思。

LRU算法的设计原则是:如果一个数据在最近一段时间没有被访问到,那么在将来它被访问的可能性也很小。也就是说,当限定的空间已存满数据时,应当把最久没有被访问到的数据淘汰。

实现LRU

     
1.用一个数组来存储数据,给每一个数据项标记一个访问时间戳,每次插入新数据项的时候,先把数组中存在的数据项的时间戳自增,并将新数据项的时间戳置为0并插入到数组中。每次访问数组中的数据项的时候,将被访问的数据项的时间戳置为0。当数组空间已满时,将时间戳最大的数据项淘汰。
 
2.利用一个链表来实现,每次新插入数据的时候将新数据插到链表的头部;每次缓存命中(即数据被访问),则将数据移到链表头部;那么当链表满的时候,就将链表尾部的数据丢弃。
 
3.利用链表和hashmap。当需要插入新的数据项的时候,如果新数据项在链表中存在(一般称为命中),则把该节点移到链表头部,如果不存在,则新建一个节点,放到链表头部,若缓存满了,则把链表最后一个节点删除即可。在访问数据的时候,如果数据项在链表中存在,则把该节点移到链表头部,否则返回-1。这样一来在链表尾部的节点就是最近最久未访问的数据项。
 
对于第一种方法,需要不停地维护数据项的访问时间戳,另外,在插入数据、删除数据以及访问数据时,时间复杂度都是O(n)。对于第二种方法,链表在定位数据的时候时间复杂度为O(n)。所以在一般使用第三种方式来是实现LRU算法。

 

LFU(Least Frequently Used)算法根据数据的历史访问频率来淘汰数据,其核心思想是“如果数据过去被访问多次,那么将来被访问的频率也更高”。

1. 新加入数据插入到队列尾部(因为引用计数为1);

2. 队列中的数据被访问后,引用计数增加,队列重新排序;

3. 当需要淘汰数据时,将已经排序的列表最后的数据块删除。

3. LRU-K

3.1. 原理

 

LRU-K中的K代表最近使用的次数,因此LRU可以认为是LRU-1。LRU-K的主要目的是为了解决LRU算法“缓存污染”的问题,其核心思想是将“最近使用过1次”的判断标准扩展为“最近使用过K次”。 

3.2. 实现 

相比LRU,LRU-K需要多维护一个队列,用于记录所有缓存数据被访问的历史。只有当数据的访问次数达到K次的时候,才将数据放入缓存。当需要淘汰数据时,LRU-K会淘汰第K次访问时间距当前时间最大的数据。

3.3. 分析

 

【命中率】

LRU-K降低了“缓存污染”带来的问题,命中率比LRU要高。

【复杂度】

LRU-K队列是一个优先级队列,算法复杂度和代价比较高。

【代价】

由于LRU-K还需要记录那些被访问过、但还没有放入缓存的对象,因此内存消耗会比LRU要多;当数据量很大的时候,内存消耗会比较可观。

LRU-K需要基于时间进行排序(可以需要淘汰时再排序,也可以即时排序),CPU消耗比LRU要高。

 

以上是关于两种缓存淘汰算法LFU&LRU的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

缓存失效策略(FIFO,LRU,LFU)

缓存淘汰算法-LFU

分布式技术专题「系统功能原理分析」缓存淘汰算法之LRU和LFU及FIFO介绍

分布式技术专题「分布式缓存专题」针对于缓存淘汰算法之LRU和LFU及FIFO原理分析

Redis 为何使用近似 LRU 算法淘汰数据,而不是真实 LRU?

LRU与LFU比较