Rust语言从入门到精通系列 - 零基础lru缓存模块实战
LRU（Least Recently Used）是一种缓存替换算法，它的核心思想是当缓存满时，替换最近最少使用的数据。在实际应用中，LRU算法被广泛应用于缓存、页面置换等领域。Rust语言提供了一个lru模块，可以方便地实现LRU缓存。
基础用法
Cargo.toml引入lru模块
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lru = "0.10.0"
创建一个LRU缓存
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
cache.put("key1", "value1");
cache.put("key2", "value2");
assert_eq!(cache.get(&"key1"), Some(&"value1"));
assert_eq!(cache.get(&"key2"), Some(&"value2"));
}
在这个示例中，我们创建了一个容量为2的LRU缓存，并添加了两个键值对。put方法可以添加键值对，get方法可以获取键对应的值。
获取不存在的键
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
cache.put("key1", "value1");
assert_eq!(cache.get(&"key2"), None);
}
在这个示例中，我们尝试获取一个不存在的键，返回值为None。
更新缓存
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
cache.put("key1", "value1");
cache.put("key2", "value2");
cache.put("key1", "new_value");
assert_eq!(cache.get(&"key1"), Some(&"new_value"));
}
在这个示例中，我们先添加了key1和key2两个键值对，然后更新了key1对应的值。
删除键值对
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
cache.put("key1", "value1");
cache.put("key2", "value2");
cache.pop(&"key1");
assert_eq!(cache.get(&"key1"), None);
}
在这个示例中，我们先添加了key1和key2两个键值对，然后删除了key1对应的键值对。
获取缓存容量
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
assert_eq!(cache.capacity(), 2);
}
在这个示例中，我们获取了LRU缓存的容量。
获取缓存大小
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
cache.put("key1", "value1");
assert_eq!(cache.len(), 1);
}
在这个示例中，我们获取了LRU缓存的大小。
清空缓存
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
cache.put("key1", "value1");
cache.clear();
assert_eq!(cache.len(), 0);
}
在这个示例中，我们清空了LRU缓存。
遍历缓存
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use lru::LruCache;
fn main() {
let mut cache = LruCache::new(2);
cache.put("key1", "value1");
cache.put("key2", "value2");
for (key, value) in cache.iter() {
println!("{}: {}", key, value);
}
}
在这个示例中，我们遍历了LRU缓存中的所有键值对。
进阶用法
自定义缓存替换策略
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use lru::{LruCache, DefaultCachePolicy};
fn main() {
let mut cache = LruCache::with_policy(DefaultCachePolicy::new().max_capacity(2));
cache.put("key1", "value1");
cache.put("key2", "value2");
cache.put("key3", "value3");
assert_eq!(cache.get(&"key1"), None);
}
在这个示例中，我们使用了DefaultCachePolicy自定义了LRU缓存的替换策略，将缓存容量设置为2。当缓存满时，会替换最近最少使用的数据。在这个示例中，我们添加了三个键值对，当缓存满时，key1对应的键值对被替换。
自定义缓存等效性判断
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use lru::{LruCache, DefaultCachePolicy};
#[derive(PartialEq, Eq, Hash)]
struct CustomKey {
key1: String,
key2: String,
}
fn main() {
let mut cache = LruCache::with_policy(DefaultCachePolicy::new().max_capacity(2));
let key1 = CustomKey {
key1: "123".to_string(),
key2: "456".to_string(),
};
cache.put(key1.clone(), "value1");
assert_eq!(cache.get(&key1), Some(&"value1"));
}
在这个示例中，我们自定义了一个CustomKey结构体，并实现了PartialEq、Eq和Hash三个trait。然后我们使用CustomKey作为LRU缓存的键，实现了自定义的缓存等效性判断。
自定义缓存值类型
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use lru::{LruCache, DefaultCachePolicy};
struct CustomValue {
value1: String,
value2: String,
}
fn main() {
let mut cache = LruCache::with_policy(DefaultCachePolicy::new().max_capacity(2));
let value1 = CustomValue {
value1: "123".to_string(),
value2: "456".to_string(),
};
cache.put("key1", value1.clone());
assert_eq!(cache.get(&"key1"), Some(&value1));
}
在这个示例中，我们自定义了一个CustomValue结构体，并使用它作为LRU缓存的值类型。
使用LRU缓存实现Fibonacci数列
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use lru::{LruCache, DefaultCachePolicy};
fn fibonacci(n: u32, cache: &mut LruCache<u32, u32>) -> u32 {
if let Some(&result) = cache.get(&n) {
return result;
}
let result = if n == 0 || n == 1 {
n
} else {
fibonacci(n - 1, cache) + fibonacci(n - 2, cache)
};
cache.put(n, result);
result
}
fn main() {
let mut cache = LruCache::with_policy(DefaultCachePolicy::new().max_capacity(10));
for i in 0..20 {
println!("fibonacci({}) = {}", i, fibonacci(i, &mut cache));
}
}
在这个示例中，我们使用LRU缓存实现了Fibonacci数列的计算。在计算Fibonacci数列时，我们使用LRU缓存缓存已经计算过的结果，避免重复计算。
最佳实践
- 避免频繁的缓存替换
当LRU缓存满时，会替换最近最少使用的数据。如果缓存替换过于频繁，会导致缓存的效率降低。因此，在使用LRU缓存时，应该根据实际情况合理设置缓存容量，避免频繁的缓存替换。
- 合理选择缓存键和值类型
LRU缓存的键和值类型可以是任意类型，但是为了提高缓存的效率，应该选择合适的类型。在选择缓存键和值类型时，应该考虑类型的大小、等效性判断等因素。
- 使用LRU缓存优化计算密集型任务
LRU缓存可以缓存计算结果，避免重复计算，因此可以用于优化计算密集型任务。在使用LRU缓存优化计算密集型任务时，应该根据实际情况合理设置缓存容量，避免频繁的缓存替换。
总结
LRU缓存是一种常用的缓存替换算法，在实际应用中被广泛使用。Rust语言提供了一个lru模块，可以方便地实现LRU缓存。在使用LRU缓存时，应该根据实际情况合理设置缓存容量，选择合适的缓存键和值类型，避免频繁的缓存替换，以提高缓存的效率。
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