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：

<code>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。

声明：本作品采用署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际 (CC BY-NC-SA 4.0)进行许可，使用时请注明出处。

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