LRUCache的实现原理及利用python实现的方法


Posted in Python onNovember 21, 2017

简介

LRU(Least Recently Used)最近最少使用,最近有时间和空间最近的歧义,所以我更喜欢叫它近期最少使用算法。它的核心思想是,如果一个数据被访问过,我们有理由相信它在将来被访问的概率就越高。于是当LRU缓存达到设定的最大值时将缓存中近期最少使用的对象移除。LRUCache内部使用LinkedHashMap来存储key-value键值对,并将LinkedHashMap设置为访问顺序来体现LRU算法。

无论是对某个key的get,还是set都算做是对该key的一次使用。当set一个不存在的key,并且LRU Cache中key的数量超过cache size的时候,需要将使用时间距离现在最长的那个key从LRU Cache中清除。

LRU Cache实现

在Java中,LRUCache是通过LinkedHashMap实现的。鄙人照猫画虎,实现一个Python版的LRU Cache(可能和其他大神的实现有所区别)。

首先,需要说明的是:

LRU Cache对象内部会维护一个 双端循环链表 的 头节点

LRU Cache对象内部会维护一个dict

内部dict的value都是Entry对象,每个Entry对象包含:

  • key的hash_code(hash_code = hash(key),在本实现中,hash_code相同的不同key,会被当作一个key来处理。因此,对于自定义类,应该实现魔术方法:__hash__)
  • v - (key, value)对中的value
  • prev - 前一个对象
  • next - 后一个对象

具体实现是:

当从LRU Cache中get一个key的时候:

  • 计算该key的hash_code
  • 从内部dict中获取到entry
  • 将该entry移动到 双端循环链表 的 第一个位置
  • 返回entry.value

当向LRU Cache中set一个(key, value)对的时候:

计算该key的hash_code,

从LRU Cache的内部dict中,取出该hash_code对应的old_entry(可能不存在),然后根据(key, value)对生成一个new_entry,之后执行:

  • dict[hash_code] = new_entry
  • 将new_entry提到 双端循环链表 的第一个位置
  • 如果old_entry存在,则从链表中删除old_entry
  • 如果是新增了一个(key, value)对,并且cache中key的数量超过了cache size,那么将双端链表的最后一个元素删除(该元素就是那个最近最少被使用的元素),并且从内部dict中删除该元素

HashMap的实现原理

(面试过程中也经常会被问到):数组和链表组合成的链表散列结构,通过hash算法,尽量将数组中的数据分布均匀,如果hashcode相同再比较equals方法,如果equals方法返回false,那么就将数据以链表的形式存储在数组的对应位置,并将之前在该位置的数据往链表的后面移动,并记录一个next属性,来指示后移的那个数据。

注意:数组中保存的是entry(其中保存的是键值)

Python实现

class Entry:
 def __init__(self, hash_code, v, prev=None, next=None):
 self.hash_code = hash_code
 self.v = v
 self.prev = prev
 self.next = next

 def __str__(self):
 return "Entry{hash_code=%d, v=%s}" % (
  self.hash_code, self.v)
 __repr__ = __str__

class LRUCache:
 def __init__(self, max_size):
 self._max_size = max_size
 self._dict = dict()
 self._head = Entry(None, None)
 self._head.prev = self._head
 self._head.next = self._head

 def __setitem__(self, k, v):
 try:
  hash_code = hash(k)
 except TypeError:
  raise

 old_entry = self._dict.get(hash_code)
 new_entry = Entry(hash_code, v)
 self._dict[hash_code] = new_entry

 if old_entry:
  prev = old_entry.prev
  next = old_entry.next
  prev.next = next
  next.prev = prev

 head = self._head
 head_prev = self._head.prev
 head_next = self._head.next

 head.next = new_entry
 if head_prev is head:
  head.prev = new_entry
 head_next.prev = new_entry
 new_entry.prev = head
 new_entry.next = head_next

 if not old_entry and len(self._dict) > self._max_size:
  last_one = head.prev
  last_one.prev.next = head
  head.prev = last_one.prev
  self._dict.pop(last_one.hash_code)

 def __getitem__(self, k):
 entry = self._dict[hash(k)]
 head = self._head
 head_next = head.next
 prev = entry.prev
 next = entry.next

 if entry.prev is not head:
  if head.prev is entry:
  head.prev = prev
  head.next = entry

  head_next.prev = entry
  entry.prev = head
  entry.next = head_next

  prev.next = next
  next.prev = prev

 return entry.v

 def get_dict(self):
 return self._dict

if __name__ == "__main__":
 cache = LRUCache(2)
 inner_dict = cache.get_dict()

 cache[1] = 1
 assert inner_dict.keys() == [1], "test 1"
 cache[2] = 2
 assert sorted(inner_dict.keys()) == [1, 2], "test 2"
 cache[3] = 3
 assert sorted(inner_dict.keys()) == [2, 3], "test 3"
 cache[2]
 assert sorted(inner_dict.keys()) == [2, 3], "test 4"
 assert inner_dict[hash(2)].next.v == 3
 cache[4] = 4
 assert sorted(inner_dict.keys()) == [2, 4], "test 5"
 assert inner_dict[hash(4)].v == 4, "test 6"

总结

以上就是这篇文章的全部内容了,希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,如果有疑问大家可以留言交流,谢谢大家对三水点靠木的支持。

Python 相关文章推荐
python字典多条件排序方法实例
Jun 30 Python
Python文件右键找不到IDLE打开项解决办法
Jun 08 Python
详解Python中的日志模块logging
Jun 19 Python
python实现文件快照加密保护的方法
Jun 30 Python
老生常谈Python基础之字符编码
Jun 14 Python
python遍历序列enumerate函数浅析
Oct 17 Python
Python用户推荐系统曼哈顿算法实现完整代码
Dec 01 Python
在Qt中正确的设置窗体的背景图片的几种方法总结
Jun 19 Python
Python获取好友地区分布及好友性别分布情况代码详解
Jul 10 Python
简单了解python协程的相关知识
Aug 31 Python
python爬虫模拟浏览器访问-User-Agent过程解析
Dec 28 Python
python 通过pip freeze、dowload打离线包及自动安装的过程详解(适用于保密的离线环境
Dec 14 Python
Python利用itchat对微信中好友数据实现简单分析的方法
Nov 21 #Python
python中is与双等于号“==”的区别示例详解
Nov 21 #Python
Python使用PIL模块生成随机验证码
Nov 21 #Python
Python3中条件控制、循环与函数的简易教程
Nov 21 #Python
Python3 循环语句(for、while、break、range等)
Nov 20 #Python
Python虚拟环境项目实例
Nov 20 #Python
Python插件virtualenv搭建虚拟环境
Nov 20 #Python
You might like
php 无限级数据JSON格式及JS解析
2010/07/17 PHP
php正则表达式(regar expression)
2011/09/10 PHP
怎么在Windows系统中搭建php环境
2013/08/31 PHP
PHP大神的十大优良习惯
2016/09/14 PHP
laravel框架数据库操作、查询构建器、Eloquent ORM操作实例分析
2019/12/20 PHP
AJAX架构之Dojo篇
2007/04/10 Javascript
Jquery阻止事件冒泡 event.stopPropagation
2011/12/11 Javascript
浏览器图片选择预览、旋转、批量上传的JS代码实现
2013/12/04 Javascript
js动画效果制件让图片组成动画代码分享
2014/01/14 Javascript
js实现的点击数量加一可操作数据库
2014/05/09 Javascript
2种jQuery 实现刮刮卡效果
2015/02/01 Javascript
手机端图片缩放旋转全屏查看PhotoSwipe.js插件实现
2016/08/25 Javascript
通过npm引用的vue组件使用详解
2017/03/02 Javascript
ES6入门教程之Iterator与for...of循环详解
2017/05/17 Javascript
Angular项目从新建、打包到nginx部署全过程记录
2017/12/09 Javascript
JS获取动态添加元素的方法详解
2019/07/31 Javascript
vue 兄弟组件的信息传递的方法实例详解
2019/08/30 Javascript
微信小程序使用echarts获取数据并生成折线图
2019/10/16 Javascript
Vue项目中如何使用Axios封装http请求详解
2019/10/23 Javascript
Layui表格监听行单双击事件讲解
2019/11/14 Javascript
ES6函数和数组用法实例分析
2020/05/23 Javascript
Vue组件生命周期运行原理解析
2020/11/25 Vue.js
python fabric实现远程操作和部署示例
2014/03/25 Python
用Python编写简单的定时器的方法
2015/05/02 Python
Python操作使用MySQL数据库的实例代码
2017/05/25 Python
简单了解Python中的几种函数
2017/11/03 Python
python中plot实现即时数据动态显示方法
2018/06/22 Python
python数据归一化及三种方法详解
2019/08/06 Python
python 实现在shell窗口中编写print不向屏幕输出
2020/02/19 Python
Python日志器使用方法及原理解析
2020/09/27 Python
css3 background属性调整增强介绍
2010/12/18 HTML / CSS
推荐WEB开发者最佳HTML5和CSS3代码生成器
2015/11/24 HTML / CSS
园林毕业生自我鉴定范文
2013/12/29 职场文书
中学生操行评语大全
2014/04/24 职场文书
2014年党小组工作总结
2014/12/20 职场文书
清明节主题班会
2015/08/14 职场文书