Java 实现 FIFO 缓存算法

短命女 2024-03-22 16:56 65阅读 0赞

#### 一、什么是 FIFO ####

**FIFO**（**F**irst **I**n, **F**irst **O**ut）是一种常见的数据结构，也叫做先进先出队列。它的特点是先进入队列的数据最先出队。  
类似于现实中排队买东西的场景，先来的人先排队，先买完商品的人先离开。

在计算机领域，FIFO 常用于缓存管理、进程调度等场景中。  
在缓存管理中，先进入缓存的数据将被优先保留，后进入的数据会被淘汰；在进程调度中，先进入队列等待CPU资源的进程将先被分配到CPU运行。

#### 二、Java 实现 FIFO 算法 ####

##### 1、方案1 #####

import java.util.LinkedList;
    
    public class FIFOQueue<T> {
        
        private final LinkedList<T> queue = new LinkedList<T>();
        private final int maxSize;
    
        public FIFOQueue(int maxSize) {
        
            this.maxSize = maxSize;
        }
    
        public void add(T item) {
        
            if (queue.size() >= maxSize) {
        
                queue.removeFirst();
            }
            queue.addLast(item);
        }
    
        public T remove() {
        
            return queue.removeFirst();
        }
    
        public boolean isEmpty() {
        
            return queue.isEmpty();
        }
    
        public int size() {
        
            return queue.size();
        }
    
        public T peek() {
        
            return queue.peek();
        }
    }

上述代码使用 LinkedList 作为底层实现，定义了一个 FIFOQueue 类，支持元素添加、删除、判断队列是否为空、获取队列长度以及获取队头元素等操作。  
其中，maxSize 为队列的最大容量，当队列元素数量达到最大容量时，再添加新的元素时会将最早加入的元素移除。  
这里使用了 LinkedList 的 removeFirst() 方法和 addLast() 方法，保证队头元素是最早加入队列的元素。

使用示例：

public class Test {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            FIFOQueue<String> queue = new FIFOQueue<>(5);
            queue.add("a");
            queue.add("b");
            queue.add("c");
            System.out.println(queue.remove()); // 输出：a
            System.out.println(queue.peek()); // 输出：b
            System.out.println(queue.size()); // 输出：2
            queue.add("d");
            queue.add("e");
            queue.add("f");
            System.out.println(queue.remove()); // 输出：b
        }
    }

> 上述代码演示了如何创建一个FIFOQueue对象，添加、删除元素以及获取队列状态信息等操作。  
> 其中，先添加的元素"a"最先出队，后添加的元素"f"最后出队。

##### 2、方案2 #####

import java.util.LinkedList;
    
    public class FIFOCache<K, V> {
        
        private final int capacity;
        private final LinkedList<K> keyList;
        private final Map<K, V> cacheMap;
    
        public FIFOCache(int capacity) {
        
            this.capacity = capacity;
            this.keyList = new LinkedList<>();
            this.cacheMap = new HashMap<>();
        }
    
        public synchronized void put(K key, V value) {
        
            if (keyList.size() == capacity) {
        
                K removedKey = keyList.removeFirst();
                cacheMap.remove(removedKey);
            }
            keyList.addLast(key);
            cacheMap.put(key, value);
        }
    
        public synchronized V get(K key) {
        
            return cacheMap.get(key);
        }
    }

> 在上述代码中，使用了 Java 的 LinkedList 类来维护一个按照顺序的 key 列表，并通过 Java 的 Map 接口实现了缓存的 key-value 存储。  
> 当缓存满时，删除队列中最早的元素，并从缓存中删除相应的键值对。当获取缓存值时，直接从缓存中获取相应的值。

需要注意的是，在多线程环境下，需要加上 synchronized 关键字来保证线程安全。  
同时，由于 LinkedList 和 HashMap 的实现不是线程安全的，因此在多线程环境下，还需要使用线程安全的集合类来代替它们。