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C++ 实现 LFU 缓存算法
2023-07-13 22:29:17 深夜i     --     --
C++ LFU 缓存算法 least frequently used algorithm

LFU(Least Frequently Used)缓存算法是一种缓存淘汰机制。它根据数据项的访问频率,淘汰最不频繁使用的数据,以保证缓存空间的有效利用。本文将介绍使用C++语言实现LFU缓存算法的方法。

算法实现:

首先需要定义存储数据项的数据结构。由于需要记录每一个数据项的键值、值以及访问次数,因此可以定义一个结构体:

typedef struct lfu_item

  int key; //键值

  int value; //值

  int frequency; //访问频率

LFUItem;

缓存的大小需要一定限制,否则可能会导致内存耗尽。因此,需要定义一个存储数据项的容器,包括一个哈希表和一个双向链表。哈希表用于查找数据项是否存在,而双向链表则按照访问频率从低到高排列,用于淘汰最不常用的数据。

typedef struct lfu_cache >

  list list_head; //双向链表头 LFUCache;

接着,需要实现缓存的初始化,包括缓存大小和数据容器的初始化:

void init_cache(LFUCache& cache, int capacity) {

  cache.capacity = capacity;

  cache.size = 0;

  cache.items.clear();

  cache.frequencies.clear();

  cache.list_head.clear();

}

缓存中添加数据项时,需要先判断数据项是否存在于哈希表中。如果存在,则从双向链表的原有位置删除并重新插入到新的位置;如果不存在,则需要先判断缓存容量是否已经满,如果已满则删除链表中最不常使用的数据项,再添加新的数据项。

void add_item(LFUCache& cache, int key, int value) {

  //检查数据项是否存在

  auto it = cache.items.find(key);

  if(it != cache.items.end()) {

    //如果存在,则将它从链表中删除,并重新插入到新的位置

    LFUItem item = *(it->second);

    item.value = value;

    item.frequency++;

    cache.list_head.erase(it->second);

    cache.frequencies[item.frequency].push_front(item);

    cache.items[key] = cache.frequencies[item.frequency].begin();

  }

  else {

    //如果不存在,则需要先判断是否已满

    if(cache.size == cache.capacity) {

      //如果已满,则删除链表中频率最低的数据项

      auto frequency_list = cache.list_head.begin();

      int target_key = frequency_list->key;

      cache.frequencies[frequency_list->frequency].erase(cache.items[target_key]);

      cache.items.erase(target_key);

      cache.list_head.erase(frequency_list);

      cache.size--;

    }

    //再添加新的数据项

    LFUItem item = { key, value, 1 };

    cache.frequencies[1].push_front(item);

    cache.items[key] = cache.frequencies[1].begin();

    cache.list_head.push_front(item);

    cache.size++;

  }

}

数据项从缓存中删除时,只需要从哈希表和链表中删除即可:

void remove_item(LFUCache& cache, int key) {

  auto it = cache.items.find(key);

  if(it != cache.items.end()) {

    LFUItem item = *(it->second);

    cache.frequencies[item.frequency].erase(it->second);

    cache.items.erase(key);

    cache.list_head.erase(it->second);

    cache.size--;

  }

}

缓存中查找数据项时,需要将访问次数加1,同时将数据项从链表的原有位置删除,并插入到新的位置:

int get_item(LFUCache& cache, int key) {

  auto it = cache.items.find(key);

  if(it == cache.items.end()) {

    return -1;

  }

  LFUItem item = *(it->second);

  item.frequency++;

  cache.list_head.erase(it->second);

  cache.frequencies[item.frequency].push_front(item);

  cache.items[key] = cache.frequencies[item.frequency].begin();

  return item.value;

}

这样,C++语言实现的LFU缓存算法就完成了。下面是一个完整的示例代码:

  
  

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