ARC算法实现

1. 概述

Adaptive Replacement Cache（ARC）是一种缓存更换算法，用于提高缓存的命中率。ARC 动态调解缓存战略，以顺应实际的访问模式，从而在不确定的工作负载下表现良好。它通过同时维护两个缓存列表来追踪近来使用和频繁使用的数据块，并根据访问模式在这两个列表之间动态分配缓存空间。
2. 基本概念

ARC 使用两个LRU队列（T1和T2）和两个历史列表（B1和B2）：

• T1: 存储一次命中（recently used once）的缓存项。
  
• T2: 存储多次命中（recently used multiple times）的缓存项。
  
• B1: 存储曾经在T1中，但已经被移除的缓存项。
  
• B2: 存储曾经在T2中，但已经被移除的缓存项。
  

3. 主要操纵

• 缓存命中：如果缓存项在T1或T2中，则为缓存命中。
  
• 缓存未命中：如果缓存项不在T1和T2中，则为缓存未命中。
  

ARC的核心操纵如下：

• 插入：
  
  
  
  • 若新缓存项在T1或T2中，则移动到T2的前端。
    
  • 若不在T1或T2中，则插入到T1的前端。
    
  
  
• 调解缓存巨细：
  
  
  
  • 若新缓存项在B1中，则表明近来访问模式偏向于访问新的缓存项，增加T1的容量。
    
  • 若新缓存项在B2中，则表明近来访问模式偏向于访问频繁访问的缓存项，增加T2的容量。
    
  
  
• 更换：
  
  
  
  • 根据动态调解的容量，从T1或T2中移除最旧的缓存项，并将其元数据移动到B1或B2。
    
  
  

4. 线程安全的Go实现示例

以下是一个简单的线程安全的ARC缓存的Go实现：

1. package arc
3. import (
4.         "container/list"
5.         "sync"
6. )
8. type ARC struct {
9.         mtx      sync.Mutex
10.         capacity int
11.         t1       *list.List
12.         b1       *list.List
13.         t2       *list.List
14.         b2       *list.List
15.         cache    map[interface{}]*list.Element
16. }
18. func NewARC(capacity int) *ARC {
19.         return &ARC{
20.                 capacity: capacity,
21.                 t1:       list.New(),
22.                 b1:       list.New(),
23.                 t2:       list.New(),
24.                 b2:       list.New(),
25.                 cache:    make(map[interface{}]*list.Element),
26.         }
27. }
29. // Get returns the item from the cache.
30. func (c *ARC) Get(item any) any {
31.         c.mtx.Lock()
32.         defer c.mtx.Unlock()
34.         if elem, found := c.cache[item]; found {
35.                 c.t2.MoveToFront(elem)
36.                 return elem.Value
37.         }
39.         return nil
40. }
42. func (c *ARC) Put(item any) {
43.         c.mtx.Lock()
44.         defer c.mtx.Unlock()
46.         if c.capacity == 0 {
47.                 return
48.         }
50.         if elem, found := c.cache[item]; found {
51.                 elem.Value = item
52.                 c.t2.MoveToFront(elem)
53.                 return
54.         }
56.         // not found, so add it to the cache
57.         if c.t1.Len()+c.t2.Len() == c.capacity {
58.                 if c.t1.Len() == c.capacity {
59.                         c.removeLast(c.b1)
60.                 } else {
61.                         c.removeLast(c.t1)
62.                 }
63.         } else if c.t1.Len()+c.b1.Len()+c.t2.Len()+c.b2.Len() >= c.capacity {
64.                 if c.t1.Len()+c.b1.Len()+c.t2.Len()+c.b2.Len() == 2*c.capacity {
65.                         c.removeLast(c.b2)
66.                 } else {
67.                         c.removeLast(c.t2)
68.                 }
69.         }
71.         // add the new item to the cache
72.         elem := c.t1.PushFront(item)
73.         c.cache[item] = elem
74. }
76. // removeLast removes the last element from the list.
77. func (c *ARC) removeLast(l *list.List) {
78.         if l.Len() == 0 {
79.                 return
80.         }
82.         elem := l.Back()
83.         l.Remove(elem)
84.         delete(c.cache, elem)
85. }

复制代码

说明:

• NewARC：创建一个新的ARC缓存实例。
  
• Get：从缓存中获取值，并将其提升到T2。
  
• Put：插入新的缓存项，并根据ARC的规则调解缓存。
  
• removeLast：从指定列表中移除最后一个元素。
  

  

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