带有过期时间的LRU实现（Java版）

在很早之前学操作系统的时候见过这个算法，后来见到的越来越多，以至于刷面经的时候也看到了，总结一下：

一、什么是LRU

LRU全称是Least Recently Used，即最近最久未使用的意思。也就是说：如果一个数据在最近一段时间没有被使用，将来被使用的机会也比较小。

通常的使用场景就是缓存，比如说操作系统中的页面置换算法。实现的方案有很多，我看了很多博客，大多是给了四五种。这里为了简洁，只给出一种，是带有过期时间的。其他的实现类似，就交给聪明的你吧!!

解决方案：利用链表加HashMap

每次来一个新数据，首先判断map中是否含有，有的话就移动到队头，没有的话就新建一个节点，然后放进来就好，对于带过期时间的功能，只需要为每一个节点放一个过期时间，只要到了这个时间就直接删除即可。

 

还有一个问题：多线程环境下应该加锁，为了保证锁的灵活性，我们使用ConcurrentHashMap。

OK，下面我们就开始实现：

二、代码实现

1、定义节点

//这个Node对用HashMap中每一个节点 
class Node implements Comparable { 
    private String key; 
    private Object value; 
    private long expireTime;//注意这个过期时间是一个时间点，如11点11分 
    public Node(String key, Object value, long expireTime) { 
        this.value = value; 
        this.key = key; 
        this.expireTime = expireTime; 
    } 
    //按照过期时间进行排序 
    @Override 
    public int compareTo(Node o) { 
        long r = this.expireTime - o.expireTime; 
        if (r > 0)  return 1; 
        if (r < 0) return -1; 
        return 0; 
    } 
} 

2、LRU实现

public class LRU { 
    // 变量1：用于设置清除过期数据的线程池 
    private static ScheduledExecutorService swapExpiredPool  
                  = new ScheduledThreadPoolExecutor(10); 
    // 变量2：用户存储数据,为了保证线程安全，使用了ConcurrentHashMap 
    private ConcurrentHashMap cache = new ConcurrentHashMap<>(1024); 
    // 变量3：保存最新的过期数据，过期时间最小的数据排在队列前 
    private PriorityQueue expireQueue = new PriorityQueue<>(1024); 
    // 构造方法：只要有缓存了，过期清除线程就开始工作 
    public LRU() { 
        swapExpiredPool.scheduleWithFixedDelay(new ExpiredNode(), 3,3,TimeUnit.SECONDS); 
    } 
    //还有代码。。。。。。。 
} 

现在我们定义了几个变量，然后还有一个构造方法，意思是只要启动了这个LRU，就开始清除。清除的线程是ExpiredNode。我们来看一下：

3、过期清除线程方法

这个方法也就是ExpiredNode，当做一个内部类在LRU中。

public class ExpiredNode implements Runnable { 
        @Override 
        public void run() { 
            // 第一步：获取当前的时间 
            long now = System.currentTimeMillis(); 
            while (true) { 
                // 第二步：从过期队列弹出队首元素，如果不存在，或者不过期就返回 
                Node node = expireQueue.peek(); 
                if (node == null || node.expireTime > now)return; 
                // 第三步：过期了那就从缓存中删除，并且还要从队列弹出 
                cache.remove(node.key); 
                expireQueue.poll(); 
            }// 此过程为while(true)，一直进行判断和删除操作 
        } 
    } 

现在知道了过期清除方法，下面看看如何添加数据。

4、set方法

public Object set(String key, Object value, long ttl) { 
        // 第一步：获取过期时间点 
        long expireTime = System.currentTimeMillis() + ttl; 
        // 第二步：新建一个节点 
        Node newNode = new Node(key, value, expireTime); 
        // 第三步：cache中有的话就覆盖，没有就添加新的，过期时间队列也要添加 
        Node old = cache.put(key, newNode); 
        expireQueue.add(newNode); 
        // 第四步：如果该key存在数据，还要从过期时间队列删除 
        if (old != null) { 
            expireQueue.remove(old); 
            return old.value; 
        } 
        return null; 
    } 

5、get方法

这个方法就比较简单了，直接获取即可。

public Object get(String key) { 
    //第一步：从cache直接获取，注意这个cache是一个HashMap 
    Node n = cache.get(key); 
    //第二步：如果n为空那就返回为null,不为空就返回相应的值 
    return n == null ? null : n.value; 
} 

注意以上345的代码都存放在LRU中。

过期时间的我们已经知道了，其实就是添加了一个过期时间队列，和一个过期清除的线程，清除的时候使用while(true)每次判断队列队首是否过期，然后判断是否返回和清除。设置方法的时候还要把新的node添加到queue，把旧的移除掉。而且我们使用了ConcurrentHashMap保证了线程安全。

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OK，今天的代码就先写到这。