介绍
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Redis是一个内存数据库，当Redis使用的内存超过物理内存的限制后，内存数据会和磁盘产生频繁的交换，交换会导致Redis性能急剧下降。所以在生产环境中我们通过配置参数maxmemoey来限制使用的内存大小。
当实际使用的内存超过maxmemoey后，Redis提供了如下几种可选策略。
noeviction：写请求返回错误
volatile-lru：使用lru算法删除设置了过期时间的键值对
volatile-lfu：使用lfu算法删除设置了过期时间的键值对
volatile-random：在设置了过期时间的键值对中随机进行删除
volatile-ttl：根据过期时间的先后进行删除，越早过期的越先被删除
allkeys-lru：在所有键值对中，使用lru算法进行删除
allkeys-lfu：在所有键值对中，使用lfu算法进行删除
allkeys-random：所有键值对中随机删除
我们来详细了解一下lru和lfu算法，这是2个常见的缓存淘汰算法。因为计算机缓存的容量是有限的，所以我们要删除那些没用的数据，而这两种算法的区别就是判定没用的纬度不一样。
LRU算法
lru（Least recently used，最近最少使用）算法，即最近访问的数据，后续很大概率还会被访问到，即是有用的。而长时间未被访问的数据，应该被淘汰
lru算法中数据会被放到一个链表中，链表的头节点为最近被访问的数据，链表的尾节点为长时间没有被访问的数据
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lru算法的核心实现就是哈希表加双向链表。链表可以用来维护访问元素的顺序，而hash表可以帮我们在O(1)时间复杂度下访问到元素。
至于为什么是双向链表呢？主要是要删除元素，所以要获取前继节点。数据结构图示如下
有趣的Redis：缓存被我写满了，该怎么办？
使用双向链表+HashMap
双向链表节点定义如下
public class ListNode<K, V> {
K key;
V value;
ListNode pre;
ListNode next;
public ListNode() {}
public ListNode(K key, V value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
}
封装双向链表的常用操作
public class DoubleList {
private ListNode head;
private ListNode tail;
public DoubleList() {
head = new ListNode();
tail = new ListNode();
head.next = tail;
tail.pre = head;
}
public void remove(ListNode node) {
node.pre.next = node.next;
node.next.pre = node.pre;
}
public void addLast(ListNode node) {
node.pre = tail.pre;
tail.pre = node;
node.pre.next = node;
node.next = tail;
}
public ListNode removeFirst() {
if (head.next == tail) {
return null;
}
ListNode first = head.next;
remove(first);
return first;
}
}
封装一个缓存类，提供最基本的get和put方法。需要注意，这两种基本的方法都涉及到对两种数据结构的修改。
public class MyLruCache<K, V> {
private int capacity;
private DoubleList doubleList;
private Map<K, ListNode> map;
public MyLruCache(int capacity) {
this.capacity = capacity;
map = new HashMap<>();
doubleList = new DoubleList();
}
public V get(Object key) {
ListNode<K, V> node = map.get(key);
if (node == null) {
return null;
}
// 先删除该节点，再接到尾部
doubleList.remove(node);
doubleList.addLast(node);
return node.value;
}
public void put(K key, V value) {
// 直接调用这边的get方法，如果存在，它会在get内部被移动到尾巴，不用再移动一遍,直接修改值即可
if ((get(key)) != null) {
map.get(key).value = value;
return;
}
// 如果超出容量，把头去掉
if (map.size() == capacity) {
ListNode listNode = doubleList.removeFirst();
map.remove(listNode.key);
}
// 若不存在，new一个出来
ListNode node = new ListNode(key, value);
map.put(key, node);
doubleList.addLast(node);
}
}
这里我们的实现为最近访问的放在链表的尾节点，不经常访问的放在链表的头节点
测试一波，输出为链表的正序输出（代码为了简洁没有贴toString方法）
MyLruCache<String, String> myLruCache = new MyLruCache<>(3);
// {5 : 5}
myLruCache.put("5", "5");
// {5 : 5}{3 : 3}
myLruCache.put("3", "3");
// {5 : 5}{3 : 3}{4 : 4}
myLruCache.put("4", "4");
// {3 : 3}{4 : 4}{2 : 2}
myLruCache.put("2", "2");
// {4 : 4}{2 : 2}{3 : 3}
myLruCache.get("3");
因为LinkedHashMap的底层实现就是哈希表加双向链表，所以你可以用LinkedHashMap替换HashMap和DoubleList来改写一下上面的类。
我来演示一下更骚的操作，只需要重写一个构造函数和removeEldestEntry方法即可。
使用LinkedHashMap实现LRU
public class LruCache<K, V> extends LinkedHashMap<K, V> {
private int cacheSize;
public LruCache(int cacheSize) {
/**
* initialCapacity: 初始容量大小
* loadFactor: 负载因子
* accessOrder: false基于插入排序（默认），true基于访问排序
*/
super(cacheSize, 0.75f, true);
this.cacheSize = cacheSize;
}
/**
* 当调用put或者putAll方法时会调用如下方法，是否删除最老的数据，默认为false
*/
@Override
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
return size() > cacheSize;
}
}
注意这个缓存并不是线程安全的，可以调用Collections.synchronizedMap方法返回线程安全的map
LruCache<String, String> lruCache = new LruCache(3);
Map<String, String> safeMap = Collections.synchronizedMap(lruCache);
Collections.synchronizedMap实现线程安全的方式很简单，只是返回一个代理类。代理类对Map接口的所有方法加锁
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
return new SynchronizedMap<>(m);
}
LFU算法
LRU算法有一个问题，当一个长时间不被访问的key，偶尔被访问一下后，可能会造成一个比这个key访问更频繁的key被淘汰。
即LRU算法对key的冷热程度的判断可能不准确。而LFU算法（Least Frequently Used，最不经常使用）则是按照访问频率来判断key的冷热程度的，每次删除的是一段时间内访问频率较低的数据，比LRU算法更准确。
使用3个hash表实现lfu算法
那么我们应该如何组织数据呢？
为了实现键值的对快速访问，用一个map来保存键值对
private HashMap<K, Integer> keyToFreq;
还需要用一个map来保存键的访问频率
private HashMap<K, Integer> keyToFreq;
当然你也可以把值和访问频率封装到一个类中，用一个map来替代上述的2个map
接下来就是最核心的部分，删除访问频率最低的数据。
- 为了能在O(1)时间复杂度内找到访问频率最低的数据，我们需要一个变量minFreq记录访问最低的频率
- 每个访问频率有可能对应多个键。当空间不够用时，我们要删除最早被访问的数据，所以需要如下数据结构，Map<频率, 有序集合>。每次内存不够用时，删除有序集合的第一个元素即可。并且这个有序集合要能快速删除某个key，因为某个key被访问后，需要从这个集合中删除，加入freq+1对应的集合中
- 有序集合很多，但是能满足快速删除某个key的只有set，但是set插入数据是无序的。幸亏Java有LinkedHashSet这个类，链表和集合的结合体，链表不能快速删除元素，但是能保证插入顺序。集合内部元素无序，但是能快速删除元素，完美
下面就是具体的实现。
public class LfuCache<K, V> {
private HashMap<K, V> keyToVal;
private HashMap<K, Integer> keyToFreq;
private HashMap<Integer, LinkedHashSet<K>> freqTokeys;
private int minFreq;
private int capacity;
public LfuCache(int capacity) {
keyToVal = new HashMap<>();
keyToFreq = new HashMap<>();
freqTokeys = new HashMap<>();
this.capacity = capacity;
this.minFreq = 0;
}
public V get(K key) {
V v = keyToVal.get(key);
if (v == null) {
return null;
}
increaseFrey(key);
return v;
}
public void put(K key, V value) {
// get方法里面会增加频次
if (get(key) != null) {
// 重新设置值
keyToVal.put(key, value);
return;
}
// 超出容量，删除频率最低的key
if (keyToVal.size() >= capacity) {
removeMinFreqKey();
}
keyToVal.put(key, value);
keyToFreq.put(key, 1);
// key对应的value存在，返回存在的key
// key对应的value不存在，添加key和value
freqTokeys.putIfAbsent(1, new LinkedHashSet<>());
freqTokeys.get(1).add(key);
this.minFreq = 1;
}
// 删除出现频率最低的key
private void removeMinFreqKey() {
LinkedHashSet<K> keyList = freqTokeys.get(minFreq);
K deleteKey = keyList.iterator().next();
keyList.remove(deleteKey);
if (keyList.isEmpty()) {
// 这里删除元素后不需要重新设置minFreq
// 因为put方法执行完会将minFreq设置为1
freqTokeys.remove(keyList);
}
keyToVal.remove(deleteKey);
keyToFreq.remove(deleteKey);
}
// 增加频率
private void increaseFrey(K key) {
int freq = keyToFreq.get(key);
keyToFreq.put(key, freq + 1);
freqTokeys.get(freq).remove(key);
freqTokeys.putIfAbsent(freq + 1, new LinkedHashSet<>());
freqTokeys.get(freq + 1).add(key);
if (freqTokeys.get(freq).isEmpty()) {
freqTokeys.remove(freq);
// 最小频率的set为空，key被移动到minFreq+1对应的set了
// 所以minFreq也要加1
if (freq == this.minFreq) {
this.minFreq++;
}
}
}
}
测试一下
LfuCache<String, String> lfuCache = new LfuCache(2);
lfuCache.put("1", "1");
lfuCache.put("2", "2");
// 1
System.out.println(lfuCache.get("1"));
lfuCache.put("3", "3");
// 1的频率为2，2和3的频率为1，但2更早之前被访问，所以被清除
// 结果为null
System.out.println(lfuCache.get("2"));
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