LRU算法和LFU算法有什么区别

悲观者从机会中看到困难。乐观者从困难中看到机会。
——温斯顿·丘吉尔

LFU内存淘汰算法是Redis4.0之后新增内存淘汰策略，那为什么要新增这个算法？那肯定是为了解决LRU算法的问题。

什么是LRU算法

LRU全称是Least Recently Used翻译为最近最少使用，会选择淘汰最近最少使用的数据。

传统LRU算法的实现是基于「链表」，链表中的元素按照操作顺序从前往后排列，最新操作的键会被移动到表头，当需要内存淘汰时，只需要删除链表尾部的元素即可，因为链表尾部的元素就代表最久未被使用的元素。

Redis并没有使用这样的方式实现LRU算法，因为传统的LRU算法存在两个问题：

需要用链表管理所有的缓存数据，这会带来额外的空间开销；

当有数据被访问时，需要在链表上把该数据移动到头端，如果有大量数据被访问，就会带来很多链表移动操作，会很耗时，进而会降低Redis缓存性能。

Redis是如何实现LRU算法的

Redis实现的是一种近似LRU算法，目的是为了更好的节约内存，它的实现方式是在Redis的对象结构体中添加一个额外的字段，用于记录此数据的最后一次访问时间。

当Redis进行内存淘汰时，会使用随机采样的方式来淘汰数据，它是随机取5个值（此值可配置），然后淘汰最久没有使用的那个。

Redis实现的LRU算法的优点：

• 不用为所有的数据维护一个大链表，节省了空间占用；
• 不用在每次数据访问时都移动链表项，提升了缓存的性能；

但是LRU算法有一个问题，无法解决缓存污染问题，比如应用一次读取了大量的数据，而这些数据只会被读取这一次，那么这些数据就会留存在Redis缓存中很长一段时间，造成缓存污染。

因此，在Redis4.0之后引入了LFU算法来解决这个问题。

什么是LFU算法

LFU全称是Least Frequently Used 翻译为最近不常用，LFU算法是根据数据访问次数来淘汰数据的，它的核心思想是"如果数据过去被多次访问，那么将来被访问的频率也更高"。

所以，LFU算法会记录每个数据的访问次数，当一个数据被再次访问时，就会增加该数据的访问次数。这样就解决了偶尔被访问一次之后，数据留存在缓存中很长一段时间的问题，相比于LRU算法也更合理一些。

Redis是如何实现LFU算法的

LFU算法相比于LRU算法的实现，多记录了「数据的访问频次」的信息。Redis对象的结构如下：

typedef struct redisObject{
			...
    	// 24 bits,用于记录对象的访问信息
      unsigned lru:24;
}robj;

Redis对象头中的lru字段，在LRU算法下和LFU算法下使用方式并不相同。

在LRU算法中，Redis对象头的24bits的lru字段是用来记录key的访问时间戳，因此在LRU模式下，Redis可以根据对象头中的lru字段记录的值，来比较最后一次key的访问时间长，从而淘汰最久未被使用的key

在LFU算法中，Redis对象头的24bits的lru字段被分成两段来存储，高 16bit 存储ldt（Last Derement Time），低 8bit 存储logc（Logistic Counter）

• ldt是用来记录key的访问时间戳；
• logc是用来记录key的访问频次，它的值越小表示使用频率越低，越容易淘汰，每个新加入的key的logc初始值为5.

注意，logc并不是单纯的访问次数，而是访问频次（访问频率），因为logc会随时间推移而衰减的。

在每次key被访问时，会先对logc做一个衰减操作，衰减的值跟前后访问时间的差距有关系，如果上一次访问的时间与这一次访问的时间差距很大，那么衰减的值就越大，这样实现的LFU算法是根据访问频率来淘汰数据的，而不是访问次数。访问频率需要考虑key的访问是多长时间段内发生的。key的先前访问距离当前时间越长，那么这个key的访问频率相应的也就会降低，这样被淘汰的概率也会更大。

对logc做完衰减操作后，就开始对logc进行增加操作，增加操作并不是单纯的+1，而是根据概率增加，如果logc越大的key，它的logc就越难再增加。

所以，Redis在访问key时，对于logc是这样变化的：

1. 先按照上次访问距离当前的时长，来对logc进行衰减；
2. 然后，再按照一定概率增加logc的值

redis.conf提供了两个配置项，用于调整LFU算法从而控制logc的增长和衰减：

• lfu-decay-time 用于调整logc的衰减速度，它是一个以分钟为单位的数值，默认值为1，lfu-decay-time值越大，衰减越慢；
• lfu-log-factor 用于调整logc的增长速度，lfu-log-factor值越大，logc增长越慢

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