如何使用 Python 實現 LRU Cache 快取置換機制

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前言

由於電腦記憶體空間（memory）的限制，無法容納所有資料和文件，所以當有新的文件要被置換進入快取（cache）時，必須根據一定的規則來取代掉適合的文件，這就是所謂的快取文件置換機制。

一般來說常見的快取文件置換機制有：

1. FIFO（First In, First Out）先進先出算法
2. LFU（Least Frequently Used）最近最不常使用算法
3. LRU（Least Recently Used）最近最少使用算法
4. NMRU（Not Most Recently Used）非最近使用算法

通常我們評量快取機制的指標主要有兩種：延遲（latency）和命中率（hit rate），其中延遲指的是命中後回傳對應資料的所花的時間。而命中率則是需要的資料在快取中被找到的頻率。

本文則要介紹 LRU（Least Recently Used）這個常見經典算法（在 memcached 也有使用），並使用 Python 實現簡單的 LRU 算法。其核心思想主要就是如果資料最近有被使用過，則未來被使用的機率也比較高。實際上的實作基本概念就是快取一定的資料量，若是超過一定的資料量則把最近最少使用的資料淘汰掉。

LRU 基本原理

關於 LRU 算法用生活化一點說明就像是平常衣架管理衣服一樣。想像你的衣架是一個有限空間的衣架，越常穿的衣服靠外面。當我們有新衣服時會先從前面放入，要穿衣服時則會把想要的衣服拿出來使用，洗完後放到最前面（因為比較常穿）。當衣服太多超過衣架可容納空間時，最後面不常穿的衣服從衣架掉下去，消失不見：P

使用 Python 實現 LRU 快取方案

通常我們常會使用 hash map 搭配 Double Linked List 來實作（set/get 時間複雜度 O(1)），這樣可以避免單純使用陣列並存 counter/timestamp 的方式需要不停維護 counter 或是只使用 Linked List 實作，在 get 值時時間複雜度為 O(n)，來的合適。

以下我們使用 Python Dict (hash map) 和 Queue (Double Linked List) 來實作簡單的 LRU 算法。

建立一個給定大小的 LRU cache 系統，並實作兩種操作方式，取值和設定值

1. get(key)：當 key 對應的值存在 cache 系統中時回傳該值，並把該值放到 cache 系統最前面，若沒有對應值則回傳 -1
2. set(key, value)：當 key 不存在 cache 系統中時，則將 key, value 放入 cache，若系統值滿則移除最不常使用的 key, value 並塞入插入新的 key, value

from collections import deque


class LRUCache:
    def __init__(self, cache_size):
        self.cache_size = cache_size
        self.queue = deque()
        self.hash_map = dict()
    
    def is_queue_full(self):
        return len(self.queue) == self.cache_size
    
    def set(self, key, value):
        if key not in self.hash_map:
            if self.is_queue_full():
                pop_key = self.queue.pop()
                self.hash_map.pop(pop_key)
                self.queue.appendleft(key)
                self.hash_map[key] = value
            else:
                self.queue.appendleft(key)
                self.hash_map[key] = value

    def get(self, key):
        if key not in self.hash_map:
            return -1
        else:
            self.queue.remove(key)
            self.queue.appendleft(key)
            return self.hash_map[key]


if __name__ == '__main__':
    # 設定 cache 大小為 3
    lru_cache = LRUCache(3)

    lru_cache.set('key1', 7)
    lru_cache.set('key2', 2)
    lru_cache.set('key3', 3)
    lru_cache.set('key4', 4)
    print(lru_cache.get('key2'))
    # 超過 cache 大小，被丟棄，所以 key1 回傳值為 -1
    print(lru_cache.get('key1'))
    lru_cache.set('key1', 7)
    # key1 已存在 cache 中，所以不做任何動作
    lru_cache.set('key1', 2)
    print(lru_cache.get('key1'))

總結

以上簡單介紹如何使用 Python 實現 LRU 快取方案，若是讀者有興趣的話可以自己嘗試 OrderedDict 實作或是針對 multi thread 進行 cache 讀寫操作設計，甚至可以模仿 redis 或 memcached 給儲存資料追加 expire time，實作一個（自幹輪子）更完整的 cache 系統解決方案！

參考文件

1. 快取文件置換機制

（image via twimg、topjavatutorial、Hacker Noon ）

關於作者：
@kdchang 文藝型開發者，夢想是做出人們想用的產品和辦一所心目中理想的學校。A Starter & Maker. JavaScript, Python & Arduino/Android lover.:)

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