前端进阶算法3：从浏览器缓存淘汰策略和Vue的keep-alive学习LRU算法

[sisterAn]

引言

这个标题已经很明显的告诉我们：前端需要了解 LRU 算法！

这也是前端技能的亮点，当面试官在问到你前端开发中遇到过哪些算法，你也可以把这部分丢过去！

本节按以下步骤切入：

• 由浏览器缓存策略引出 LRU 算法原理
• 然后走进 vue 中 keep-alive 的应用
• 接着，透过 vue 中 keep-alive 源码看 LRU 算法的实现
• 最后，来一道 leetcode 题目，我们来实现一个 LRU 算法

按这个步骤来，完全掌握 LRU 算法，点亮前端技能，下面就开始吧👇

一、LRU 缓存淘汰策略

缓存在计算机网络上随处可见，例如：当我们首次访问一个网页时，打开很慢，但当我们再次打开这个网页时，打开就很快。

这就涉及缓存在浏览器上的应用：浏览器缓存。当我们打开一个网页时，例如 https://github.com/sisterAn/JavaScript-Algorithms ，它会在发起真正的网络请求前，查询浏览器缓存，看是否有要请求的文件，如果有，浏览器将会拦截请求，返回缓存文件，并直接结束请求，不会再去服务器上下载。如果不存在，才会去服务器请求。

其实，浏览器中的缓存是一种在本地保存资源副本，它的大小是有限的，当我们请求数过多时，缓存空间会被用满，此时，继续进行网络请求就需要确定缓存中哪些数据被保留，哪些数据被移除，这就是浏览器缓存淘汰策略，最常见的淘汰策略有 FIFO（先进先出）、LFU（最少使用）、LRU（最近最少使用）。

LRU （ Least Recently Used ：最近最少使用 ）缓存淘汰策略，故名思义，就是根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是 如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高 ，优先淘汰最近没有被访问到的数据。

画个图帮助我们理解：

二、LRU 在 keep-alive (Vue) 上的实现

1. keep-alive

keep-alive 在 vue 中用于实现组件的缓存，当组件切换时不会对当前组件进行卸载。

<!-- 基本 -->
<keep-alive>
  <component :is="view"></component>
</keep-alive>

最常用的两个属性：include 、 exculde ，用于组件进行有条件的缓存，可以用逗号分隔字符串、正则表达式或一个数组来表示。

在 2.5.0 版本中，keep-alive 新增了 max 属性，用于最多可以缓存多少组件实例，一旦这个数字达到了，在新实例被创建之前，已缓存组件中最久没有被访问的实例会被销毁掉，看，这里就应用了 LRU 算法。即在 keep-alive 中缓存达到 max，新增缓存实例会优先淘汰最近没有被访问到的实例🎉🎉🎉

下面我们透过 vue 源码看一下具体的实现👇

2. 从 vue 源码看 keep-alive 的实现

export default {
  name: "keep-alive",
  // 抽象组件属性 ,它在组件实例建立父子关系的时候会被忽略,发生在 initLifecycle 的过程中
  abstract: true, 
  props: {
    // 被缓存组件
    include: patternTypes, 
    // 不被缓存组件
    exclude: patternTypes,
    // 指定缓存大小
    max: [String, Number] 
  },
  created() {
    // 初始化用于存储缓存的 cache 对象
    this.cache = Object.create(null);
    // 初始化用于存储VNode key值的 keys 数组
    this.keys = []; 
  },
  destroyed() {
    for (const key in this.cache) {
      // 删除所有缓存
      pruneCacheEntry(this.cache, key, this.keys);
    }
  },
  mounted() {
    // 监听缓存（include）/不缓存（exclude）组件的变化
    // 在变化时，重新调整 cache
    // pruneCache：遍历 cache，如果缓存的节点名称与传入的规则没有匹配上的话，就把这个节点从缓存中移除
    this.$watch("include", val => {
      pruneCache(this, name => matches(val, name));
    });
    this.$watch("exclude", val => {
      pruneCache(this, name => !matches(val, name));
    });
  },
  render() {
    // 获取第一个子元素的 vnode
    const slot = this.$slots.default;
    const vnode: VNode = getFirstComponentChild(slot);
    const componentOptions: ?VNodeComponentOptions =
      vnode && vnode.componentOptions;
    if (componentOptions) {
      // name 不在 inlcude 中或者在 exlude 中则直接返回 vnode，否则继续进行下一步
      // check pattern
      const name: ?string = getComponentName(componentOptions);
      const { include, exclude } = this;
      if (
        // not included
        (include && (!name || !matches(include, name))) ||
        // excluded
        (exclude && name && matches(exclude, name))
      ) {
        return vnode;
      }
      
      const { cache, keys } = this;
      // 获取键，优先获取组件的 name 字段，否则是组件的 tag
      const key: ?string =
        vnode.key == null
          ? // same constructor may get registered as different local components
            // so cid alone is not enough (#3269)
            componentOptions.Ctor.cid +
            (componentOptions.tag ? `::${componentOptions.tag}` : "")
          : vnode.key;
        
      // --------------------------------------------------
      // 下面就是 LRU 算法了，
      // 如果在缓存里有则调整，
      // 没有则放入（长度超过 max，则淘汰最近没有访问的）
      // --------------------------------------------------
      // 如果命中缓存，则从缓存中获取 vnode 的组件实例，并且调整 key 的顺序放入 keys 数组的末尾
      if (cache[key]) {
        vnode.componentInstance = cache[key].componentInstance;
        // make current key freshest
        remove(keys, key);
        keys.push(key);
      }
      // 如果没有命中缓存,就把 vnode 放进缓存
      else {
        cache[key] = vnode;
        keys.push(key);
        // prune oldest entry
        // 如果配置了 max 并且缓存的长度超过了 this.max，还要从缓存中删除第一个
        if (this.max && keys.length > parseInt(this.max)) {
          pruneCacheEntry(cache, keys[0], keys, this._vnode);
        }
      }
      
      // keepAlive标记位
      vnode.data.keepAlive = true;
    }
    return vnode || (slot && slot[0]);
  }
};

// 移除 key 缓存
function pruneCacheEntry (
  cache: VNodeCache,
  key: string,
  keys: Array<string>,
  current?: VNode
) {
  const cached = cache[key]
  if (cached && (!current || cached.tag !== current.tag)) {
    cached.componentInstance.$destroy()
  }
  cache[key] = null
  remove(keys, key)
}

// remove 方法（shared/util.js）
/**
 * Remove an item from an array.
 */
export function remove (arr: Array<any>, item: any): Array<any> | void {
  if (arr.length) {
    const index = arr.indexOf(item)
    if (index > -1) {
      return arr.splice(index, 1)
    }
  }
}

keep-alive源码路径

在 keep-alive 缓存超过 max 时，使用的缓存淘汰算法就是 LRU 算法，它在实现的过程中用到了 cache 对象用于保存缓存的组件实例及 key 值，keys 数组用于保存缓存组件的 key ，当 keep-alive 中渲染一个需要缓存的实例时：

• 判断缓存中是否已缓存了该实例，缓存了则直接获取，并调整 key 在 keys 中的位置（移除 keys 中 key ，并放入 keys 数组的最后一位）
• 如果没有缓存，则缓存该实例，若 keys 的长度大于 max （缓存长度超过上限），则移除 keys[0] 缓存

下面我们来自己实现一个 LRU 算法吧⛽️⛽️⛽️

三、leetcode：LRU 缓存机制

运用你所掌握的数据结构，设计和实现一个 LRU (最近最少使用) 缓存机制。它应该支持以下操作： 获取数据 get 和写入数据 put 。

获取数据 get(key) - 如果密钥 ( key ) 存在于缓存中，则获取密钥的值（总是正数），否则返回 -1 。
写入数据 put(key, value) - 如果密钥不存在，则写入数据。当缓存容量达到上限时，它应该在写入新数据之前删除最久未使用的数据，从而为新数据留出空间。

进阶:

你是否可以在 O(1) 时间复杂度内完成这两种操作？

示例:

LRUCache cache = new LRUCache( 2 /* 缓存容量 */ );

cache.put(1, 1);
cache.put(2, 2);
cache.get(1);       // 返回  1
cache.put(3, 3);    // 该操作会使得密钥 2 作废
cache.get(2);       // 返回 -1 (未找到)
cache.put(4, 4);    // 该操作会使得密钥 1 作废
cache.get(1);       // 返回 -1 (未找到)
cache.get(3);       // 返回  3
cache.get(4);       // 返回  4

前面已经介绍过了 keep-alive 中LRU实现源码，现在来看这道题是不是很简单😊😊😊，可以尝试自己解答一下⛽️，然后思考一下有没有什么继续优化的！欢迎提供更多的解法

答案已提交到 #7

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