ARC算法实现

1. 概述

Adaptive Replacement Cache（ARC）是一种缓存替换算法，用于提高缓存的命中率。ARC 动态调整缓存策略，以适应实际的访问模式，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最近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. 主要操作

• 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的核心操作如下：

1. 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。
2. 调整缓存大小：
   • 若新缓存项在B1中，则表明最近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，则表明最近访问模式偏向于访问频繁访问的缓存项，增加T2的容量。
3. 替换：
   • 根据动态调整的容量，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：

package arc

import (
	"container/list"
	"sync"
)

type ARC struct {
	mtx      sync.Mutex
	capacity int
	t1       *list.List
	b1       *list.List
	t2       *list.List
	b2       *list.List
	cache    map[interface{}]*list.Element
}

func NewARC(capacity int) *ARC {
	return &ARC{
		capacity: capacity,
		t1:       list.New(),
		b1:       list.New(),
		t2:       list.New(),
		b2:       list.New(),
		cache:    make(map[interface{}]*list.Element),
	}
}

// Get returns the item from the cache.
func (c *ARC) Get(item any) any {
	c.mtx.Lock()
	defer c.mtx.Unlock()

	if elem, found := c.cache[item]; found {
		c.t2.MoveToFront(elem)
		return elem.Value
	}

	return nil
}

func (c *ARC) Put(item any) {
	c.mtx.Lock()
	defer c.mtx.Unlock()

	if c.capacity == 0 {
		return
	}

	if elem, found := c.cache[item]; found {
		elem.Value = item
		c.t2.MoveToFront(elem)
		return
	}

	// not found, so add it to the cache
	if c.t1.Len()+c.t2.Len() == c.capacity {
		if c.t1.Len() == c.capacity {
			c.removeLast(c.b1)
		} else {
			c.removeLast(c.t1)
		}
	} else if c.t1.Len()+c.b1.Len()+c.t2.Len()+c.b2.Len() >= c.capacity {
		if c.t1.Len()+c.b1.Len()+c.t2.Len()+c.b2.Len() == 2*c.capacity {
			c.removeLast(c.b2)
		} else {
			c.removeLast(c.t2)
		}
	}

	// add the new item to the cache
	elem := c.t1.PushFront(item)
	c.cache[item] = elem
}

// removeLast removes the last element from the list.
func (c *ARC) removeLast(l *list.List) {
	if l.Len() == 0 {
		return
	}

	elem := l.Back()
	l.Remove(elem)
	delete(c.cache, elem)
}

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的规则调整缓存。
• removeLast：从指定列表中移除最后一个元素。

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