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
谈谈Python进行验证码识别的一些想法
Jan 25 Python
python面向对象_详谈类的继承与方法的重载
Jun 07 Python
windows下安装python的C扩展编译环境(解决Unable to find vcvarsall.bat)
Feb 21 Python
深入理解Django的中间件middleware
Mar 14 Python
python模块导入的细节详解
Dec 10 Python
python return逻辑判断表达式实现解析
Dec 02 Python
Pandas将列表(List)转换为数据框(Dataframe)
Apr 24 Python
哈工大自然语言处理工具箱之ltp在windows10下的安装使用教程
May 07 Python
opencv-python的RGB与BGR互转方式
Jun 02 Python
关于python3.7安装matplotlib始终无法成功的问题的解决
Jul 28 Python
python中watchdog文件监控与检测上传功能
Oct 30 Python
Python进度条的使用
May 17 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
利用PHP实现图片等比例放大和缩小的方法详解
2013/06/06 PHP
WAF的正确bypass
2017/01/05 PHP
PHP实现微信公众号验证Token的示例代码
2019/12/16 PHP
js 浮动层菜单收藏
2009/01/16 Javascript
LazyForm jQuery plugin 定制您的CheckBox Radio和Select
2009/10/24 Javascript
模仿JQuery sortable效果 代码有错但值得看看
2009/11/05 Javascript
js转化毫秒为时间格式代码
2014/04/10 Javascript
javascript实现限制上传文件大小
2015/02/06 Javascript
JS实现控制表格行内容垂直对齐的方法
2015/03/30 Javascript
NodeJs中的VM模块详解
2015/05/06 NodeJs
ECMAScript6函数剩余参数(Rest Parameters)
2015/06/12 Javascript
jQuery获取与设置iframe高度的方法
2016/08/01 Javascript
自己封装的一个简单的倒计时功能实例
2016/11/23 Javascript
Angular.js中ng-if、ng-show和ng-hide的区别介绍
2017/01/20 Javascript
weex里Vuex state使用storage持久化详解
2017/09/09 Javascript
React从react-router路由上做登陆验证控制的方法
2018/05/10 Javascript
Elementui表格组件+sortablejs实现行拖拽排序的示例代码
2019/08/28 Javascript
JavaScript 实现同时选取多个时间段的方法
2019/10/17 Javascript
python中lambda与def用法对比实例分析
2015/04/30 Python
安装ElasticSearch搜索工具并配置Python驱动的方法
2015/12/22 Python
django+js+ajax实现刷新页面的方法
2017/05/22 Python
python数据处理实战(必看篇)
2017/06/11 Python
对numpy中array和asarray的区别详解
2018/04/17 Python
python自定义函数实现一个数的三次方计算方法
2019/01/20 Python
Python使用turtle库绘制小猪佩奇(实例代码)
2020/01/16 Python
Python3实现mysql连接和数据框的形成(实例代码)
2020/01/17 Python
详解Python设计模式之策略模式
2020/06/15 Python
python+pygame实现坦克大战小游戏的示例代码(可以自定义子弹速度)
2020/08/11 Python
Nayomi官网:沙特阿拉伯王国睡衣和内衣品牌
2020/12/19 全球购物
生产车间实习自我鉴定
2013/09/23 职场文书
餐饮业经理竞聘演讲稿
2014/01/14 职场文书
四年级科学教学反思
2014/02/10 职场文书
优秀毕业生求职信
2014/06/05 职场文书
卢旺达饭店观后感
2015/06/05 职场文书
高中政治教学反思
2016/02/23 职场文书
pandas中pd.groupby()的用法详解
2022/06/16 Python