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高吞吐、线程安全的LRU缓存详解

转载 作者：qq735679552 更新时间：2022-09-27 22:32:09 25 4
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这篇CFSDN的博客文章高吞吐、线程安全的LRU缓存详解由作者收集整理，如果你对这篇文章有兴趣，记得点赞哟.

本文研究的主要是高吞吐、线程安全的lru缓存的相关内容，具体介绍如下.

几年以前，我实现了一个lru缓存用来为关键字来查找它的id。数据结构非常有意思，因为要求的吞吐很大足以消除大量使用locks和synchronized关键字带来的性能问题，应用是用java实现的.

我想到一连串的原子引用分配会在concurrenthashmap中保持lru保持lru顺序，开始的时候我把value包装到entry中去，entry在双链表的lru链中有一个节点，链的尾部保持的是最近使用的entry，头节点中存放的是当缓存达到一定的大小的时候可能会清空的entry。每一个节点都指向用来查找的entry.

高吞吐、线程安全的LRU缓存详解

当你通过key查找值的时候，缓存首先要查找map看看是否有这个value存在，如果不存在的话，它将依赖于加载器将value从数据源中以read-through的方式读出来并且以“如果缺失则添加”的方式添加的map中去。确保高吞吐的挑战是有效的维护lru链。这个并发的哈希map是分段的而且在线程的水平在一定水平（当你构建map的时候你可以指定并发的水平）情况下的时候不会经历太多的线程竞争。但是lru链不能以同样的方式被划分吗，为了解决这个问题，我引入了辅助的队列用来清除操作.

在cache中有六个基本的方法。对于缓存命中，查找包含两个基本操作：get和offer，对于换粗丢失包含四个基本的方法get、load、put和offer。在put方法上，我们也许需要追踪清空操作，在缓存命中的情况下get，我们在lru链上被动的做一些清空叫做净化操作.

get : lookup entry in the map by key load : load value from a data source put : create entry and map it to key offer: append a node at the tail of the lru list that refers to a recently accessed entry evict: remove nodes at the head of the list and associated entries from the map (after the cache reaches a certain size) purge: delete unused nodes in the lru list -- we refer to these nodes as holes, and the cleanup queue keeps track of these 。

清空操作和净化操作都是大批量的处理数据，我们来看一下每个操作的细节 。

get操作是按如下方式工作的:

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get(k) -> v
 
lookup entry by key k
if cache hit, we have an entry e
   offer entry e
   try purge some holes
else
   load value v for key k
   create entry e <- (k,v)
   try put entry e
end
return value e.v

如果key存在，我们在lru链的尾部提供一个新的节点来表明，这是一个最近使用的值。get和offer的执行并不是原子操作（这里没有lock），所以我们不能说这个offered 节点指向最近使用的实体，但是肯定是当我们并发执行时获得的最近使用的实体。我们没有强制get和offer对在线程间执行的顺序，因为这可能会限制吞吐量。在offer一个节点之后，我们尝试着做一些清除和返回value的操作。下边我们详细看一下这offer和purge操作.

如果缓存丢失发生了，我们将调用加载器为这个key加载value，创建一个新的实体并把它放入到map中去，put操作如下:

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put(e) -> e
 
existing entry ex <- map.putifabsent(e.k, e)
if absent
   offer entry e;
   if size reaches evict-threshold
     evict some entries
   end
   return entry e
else , we have an existing entry ex
   return entry ex
end

正如你所见的一样，有两个或这两个以上的线程把一个实体放入map的时候可能存在竞争，但是只允许一个成功并且会调用offer。在lru链的尾部提供一个节点之后，我们需要检查是否缓存已经达到了它的阙值的大小，阙值是我们用来出发批量清空操作的标识。在这个特定的应用的场景下，阙值的设置要比容量的大小要小。清空操作小批量的发生而不是每一个实体加进来的时候都会发生，多线程或许会参与到清空操作中去，直到缓存的容量达到它的容量。上锁很容易但是线程却能是安全的。清空需要移除lru链的头节点，这需要依赖细心的原子操作来避免在map中多线程的移除操作.

高吞吐、线程安全的LRU缓存详解

这个offer操作非常有意思，它总是尝试着创建一个节点但是并不试图在lru中立即移除和删除那些不再使用的节点.

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offer(e)
 
if tail node doesn't refer to entry e
   assign current node c <- e.n
   create a new node n(e), new node refers to entry e
   if atomic compare-and-set node e.n, expect c, assign n
     add node n to tail of lru list
     if node c not null
       set entry c.e to null , c now has a hole
       add node c to cleanup queue
     end
   end
end

首先它会检查，链中尾部的节点没有指向已经访问的实体，这并没有什么不同除非所有的线程频繁的访问同样的键值对，它将会链部的尾的实体创建一个新的节点当这个实体不同的时候，在提供新的节点之前，它尝试为实体进一个比较和设置的操作，这将阻止多线程做同样的事情.

成功的分配节点的线程在lru链的尾部提供了一个新的节点，这个操作和concurrentlinkedqueue中的find一样，依赖的算法在下边的文章中有描述 simple, fast, and practical non-blocking and blocking concurrent queue algorithms。线程然后会检查实体之前是否和其他的节点有相关连，如果是这样的话，老的节点不会立即删除，但是会被标记为一个hole（它的实体的引用会被设置为空） 。

高吞吐、线程安全的LRU缓存详解

总结 。

以上就是本文关于高吞吐、线程安全的lru缓存详解的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！ 。

原文链接：http://blog.csdn.net/maoyeqiu/article/details/50502410 。

最后此篇关于高吞吐、线程安全的LRU缓存详解的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于高吞吐、线程安全的LRU缓存详解的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章，希望大家以后支持我的博客！ 。

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