LRU概述
LRU算法，即最近最少使用算法。其使用场景非常广泛，像我们日常用的手机的后台应用展示，软件的复制粘贴板等。
本文将基于算法思想手写一个具有LRU算法功能的Java工具类。
结构设计
在插入数据时，需要能快速判断是否已有相同数据。为实现该目的，可以使用hash表结构。
同时根据LRU的规则，在对已有元素进行查找和修改操作后，该元素应该被置于首位；在增加元素时，如果超过了最大容量，则会淘汰末尾元素。为减少元素移动的时间复杂度，这里采用双端链表结构，使得移动元素到首位和删除末尾元素的时间复杂度都为O(1)。
根据上述数据结构，可以定义元素节点内容，包含hash值，键K，值value，先继节点和后继节点。如下所示：
1 static class Entry<K,V> { 2 final int hash; // 哈希值 3 final K key; // 键 4 V value; // 值 5 Entry<K,V> before; // 先继节点 6 Entry<K,V> after; // 后继节点 7 Entry(int hash, K key, V value, Entry before, Entry after) { 8 this.hash = hash; 9 this.key = key; 10 this.value = value; 11 this.before = before; 12 this.after = after; 13 } 14 }
双端链表则需要存储头节点和尾节点。
其它成员变量如下：
1 int maxSize; // 最大容量 2 Entry<K,V> head; // 头节点 3 Entry<K,V> tail; // 尾节点 4 HashMap<K,V> hashMap; // 哈希表
在实现容器的增删改查方法前，我们先把一些对链表的共用操作抽象出来，包括查找链表节点、将链表节点移动到队首、删除链表中节点。对应方法实现如下：
1 // 根据key从链表中找对应节点 2 Entry<K, V> find(Object key) { 3 // 遍历链表找到该元素 4 Entry<K,V> entry = head; 5 while (entry != null) { 6 if (entry.key.equals(key)) 7 break; 8 entry = entry.after; 9 } 10 return entry; 11 } 12 // 将key对应的元素移至队首 13 Entry<K,V> moveToFront(Object key) { 14 // 遍历链表找到该元素 15 Entry<K,V> entry = find(key); 16 // 如果找到了并且不是队首,则将该节点移动到队列的首部 17 if (entry != null && entry != head) { 18 // 如果该节点是队尾 19 if (entry == tail) 20 tail = entry.before; 21 // 先将该节点从链表中移出 22 Entry<K,V> p = entry.before; 23 Entry<K,V> q = entry.after; 24 p.after = q; 25 if (q != null) 26 q.before = p; 27 // 然后将该节点作为新的head 28 entry.before = null; 29 entry.after = head; 30 head = entry; 31 } 32 return entry; 33 } 34 // 将key对应的元素从双端链表中删除 35 void removeFromLinkedList(Object key) { 36 // 遍历链表找到该元素 37 Entry<K,V> entry = find(key); 38 // 如果没找到则直接返回 39 if (entry == null) return; 40 // 如果是队首元素 41 if (entry == head) { 42 // 只有一个节点 43 if (tail == head) 44 tail = entry.after; 45 head = entry.after; 46 head.before = null; 47 } else if (entry == tail) { 48 // 如果是队尾元素 49 tail = tail.before; 50 tail.after = null; 51 } 52 }
put()方法
put元素时需要判断元素是否已经在容器中存在，如果存在，则修改对应节点的值，并将该节点移动到链表的头部。
如果不存在，则将元素插入到链表的头部。如果此时容量超过预设最大容量，需要将队列尾部元素移除。
注意：上述操作需要判断是否更新头尾节点。
代码如下：
1 // 存入元素/修改元素 2 public void put(K key, V value) { 3 V res = hashMap.put(key,value); 4 // 如果res为null，表示没找到，则存入并放置到队首 5 if (res == null) { 6 Entry<K,V> entry = new Entry<>(key.hashCode(), key, value, null, head); 7 // 如果之前没有头节点 8 if (head == null) { 9 head = entry; 10 tail = entry; 11 } else { 12 // 如果之前有头节点，将头节点before指向entry 13 entry.after = head; 14 head.before = entry; 15 head = entry; 16 } 17 // 判断此时节点数量是否超过最大容量,如果超过，则将队尾元素删除 18 if (hashMap.size() > maxSize) { 19 tail = tail.before; 20 tail.after = null; 21 } 22 } else { 23 // 如果res不为null,表示包含该元素，则将节点放置到队首 24 Entry<K,V> entry = moveToFront(key); 25 // 同时修改节点的V值 26 entry.value = value; 27 } 28 }
remove()方法
从容器中删除元素，需要判断是否在容器中存在。同时也要注意更新头尾节点。
1 // 删除元素 2 public void remove(Object key) { 3 V res = hashMap.remove(key); 4 // 如果删除成功，则将链表中节点一并删除 5 if (res != null) 6 removeFromLinkedList(key); 7 }
get()方法
查找元素如果找到的话需要将对应节点移动到队列头部。
1 // 查询元素 2 public V get(Object key) { 3 V res = hashMap.get(key); 4 // 如果在已有数据中找到，则将该元素放置到队首 5 if (res != null) 6 moveToFront(key); 7 return res; 8 }
完整代码
完整代码以及测试如下：
1 package com.simple.test; 2 3 import java.util.ArrayList; 4 import java.util.HashMap; 5 import java.util.List; 6 7 public class SimpleLRUCache <K,V>{ 8 int maxSize; // 最大容量 9 Entry<K,V> head; // 头节点 10 Entry<K,V> tail; // 尾节点 11 HashMap<K,V> hashMap; // 哈希表 12 // 构造函数 13 public SimpleLRUCache(int size) { 14 if (size <= 0) 15 throw new RuntimeException("容器大小不能<=0"); 16 this.maxSize = size; 17 this.hashMap = new HashMap<>(); 18 } 19 static class Entry<K,V> { 20 final int hash; // 哈希值 21 final K key; // 键 22 V value; // 值 23 Entry<K,V> before; // 先继节点 24 Entry<K,V> after; // 后继节点 25 Entry(int hash, K key, V value, Entry before, Entry after) { 26 this.hash = hash; 27 this.key = key; 28 this.value = value; 29 this.before = before; 30 this.after = after; 31 } 32 } 33 // 查询元素 34 public V get(Object key) { 35 V res = hashMap.get(key); 36 // 如果在已有数据中找到，则将该元素放置到队首 37 if (res != null) 38 moveToFront(key); 39 return res; 40 } 41 // 存入元素/修改元素 42 public void put(K key, V value) { 43 V res = hashMap.put(key,value); 44 // 如果res为null，表示没找到，则存入并放置到队首 45 if (res == null) { 46 Entry<K,V> entry = new Entry<>(key.hashCode(), key, value, null, head); 47 // 如果之前没有头节点 48 if (head == null) { 49 head = entry; 50 tail = entry; 51 } else { 52 // 如果之前有头节点，将头节点before指向entry 53 entry.after = head; 54 head.before = entry; 55 head = entry; 56 } 57 // 判断此时节点数量是否超过最大容量,如果超过，则将队尾元素删除 58 if (hashMap.size() > maxSize) { 59 tail = tail.before; 60 tail.after = null; 61 } 62 } else { 63 // 如果res不为null,表示包含该元素，则将节点放置到队首 64 Entry<K,V> entry = moveToFront(key); 65 // 同时修改节点的V值 66 entry.value = value; 67 } 68 } 69 // 删除元素 70 public void remove(Object key) { 71 V res = hashMap.remove(key); 72 // 如果删除成功，则将链表中节点一并删除 73 if (res != null) 74 removeFromLinkedList(key); 75 } 76 // 将key对应的元素移至队首 77 Entry<K,V> moveToFront(Object key) { 78 // 遍历链表找到该元素 79 Entry<K,V> entry = find(key); 80 // 如果找到了并且不是队首,则将该节点移动到队列的首部 81 if (entry != null && entry != head) { 82 // 如果该节点是队尾 83 if (entry == tail) 84 tail = entry.before; 85 // 先将该节点从链表中移出 86 Entry<K,V> p = entry.before; 87 Entry<K,V> q = entry.after; 88 p.after = q; 89 if (q != null) 90 q.before = p; 91 // 然后将该节点作为新的head 92 entry.before = null; 93 entry.after = head; 94 head = entry; 95 } 96 return entry; 97 } 98 // 将key对应的元素从双端链表中删除 99 void removeFromLinkedList(Object key) { 100 // 遍历链表找到该元素 101 Entry<K,V> entry = find(key); 102 // 如果没找到则直接返回 103 if (entry == null) return; 104 // 如果是队首元素 105 if (entry == head) { 106 // 只有一个节点 107 if (tail == head) 108 tail = entry.after; 109 head = entry.after; 110 head.before = null; 111 } else if (entry == tail) { 112 // 如果是队尾元素 113 tail = tail.before; 114 tail.after = null; 115 } 116 } 117 // 根据key从链表中找对应节点 118 Entry<K, V> find(Object key) { 119 // 遍历链表找到该元素 120 Entry<K,V> entry = head; 121 while (entry != null) { 122 if (entry.key.equals(key)) 123 break; 124 entry = entry.after; 125 } 126 return entry; 127 } 128 // 顺序返回元素 129 public List<Entry<K,V>> getList() { 130 List<Entry<K,V>> list = new ArrayList<>(); 131 Entry<K,V> p = head; 132 while (p != null) { 133 list.add(p); 134 p = p.after; 135 } 136 return list; 137 } 138 // 顺序输出元素 139 public void print() { 140 Entry<K,V> p = head; 141 while (p != null) { 142 System.out.print(p.key.toString()+":"+p.value.toString()+"\t"); 143 p = p.after; 144 } 145 System.out.println(); 146 } 147 public static void main(String[] args) { 148 SimpleLRUCache<String, String> test = new SimpleLRUCache(4); 149 test.put("a","1"); 150 test.put("b","2"); 151 test.put("c","3"); 152 test.put("d","4"); 153 // 此时顺序为d c b a 154 test.print(); 155 // 获取a,此时顺序为 a d c b 156 test.get("a"); 157 test.print(); 158 // 修改c，此时顺序为 c a d b 159 test.put("c","31"); 160 test.print(); 161 // 增加e,淘汰末尾元素b,此时顺序为e c a d 162 test.put("e","5"); 163 test.print(); 164 } 165 }