ARC演算法實現

1. 概述

Adaptive Replacement Cache（ARC）是一種快取替換演算法，用於提高快取的命中率。ARC 動態調整快取策略，以適應實際的訪問模式，從而在不確定的工作負載下表現良好。它透過同時維護兩個快取列表來追蹤最近使用和頻繁使用的資料塊，並根據訪問模式在這兩個列表之間動態分配快取空間。

2. 基本概念

ARC 使用兩個LRU佇列（T1和T2）和兩個歷史列表（B1和B2）：

• T1: 儲存一次命中（recently used once）的快取項。
• T2: 儲存多次命中（recently used multiple times）的快取項。
• B1: 儲存曾經在T1中，但已經被移除的快取項。
• B2: 儲存曾經在T2中，但已經被移除的快取項。

3. 主要操作

• 快取命中：如果快取項在T1或T2中，則為快取命中。
• 快取未命中：如果快取項不在T1和T2中，則為快取未命中。

ARC的核心操作如下：

1. 插入：
   • 若新快取項在T1或T2中，則移動到T2的前端。
   • 若不在T1或T2中，則插入到T1的前端。
2. 調整快取大小：
   • 若新快取項在B1中，則表明最近訪問模式偏向於訪問新的快取項，增加T1的容量。
   • 若新快取項在B2中，則表明最近訪問模式偏向於訪問頻繁訪問的快取項，增加T2的容量。
3. 替換：
   • 根據動態調整的容量，從T1或T2中移除最舊的快取項，並將其後設資料移動到B1或B2。

4. 執行緒安全的Go實現示例

以下是一個簡單的執行緒安全的ARC快取的Go實現：

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)
}

說明:

• NewARC：建立一個新的ARC快取例項。
• Get：從快取中獲取值，並將其提升到T2。
• Put：插入新的快取項，並根據ARC的規則調整快取。
• removeLast：從指定列表中移除最後一個元素。

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