面试题：缓存设计：MRU策略与其他策略对比及优化

Question

在实际的后端缓存场景中，MRU与LRU（Least Recently Used）缓存替换策略各有什么优缺点？如果系统对读取性能要求极高且写入操作相对较少，如何基于MRU策略进行优化以提高整体缓存效率？

Answer 1

LRU（Least Recently Used）优缺点

• 优点：
  • 符合局部性原理，近期最少使用的数据大概率在未来也较少使用，能较好地预测数据的使用频率，在很多场景下能有效缓存热点数据。
  • 实现相对简单，可通过哈希表和双向链表的数据结构高效实现，时间复杂度为O(1)。
• 缺点：
  • 对突发访问不适应，如果某一冷数据突然被大量访问，LRU会快速将其加入缓存，可能会淘汰掉其他热点数据，导致缓存命中率下降。
  • 没有考虑数据的访问频率，只关注最近访问时间，可能将偶尔访问但访问时间近的数据保留，而淘汰频繁访问但稍久未访问的数据。

MRU（Most Recently Used）优缺点

• 优点：
  • 对于写入操作频繁且写入数据大概率马上会被读取的场景，能保证新写入的数据在缓存中，提高读取命中率。
  • 实现相对容易，类似LRU的哈希表和双向链表结构，只是链表操作逻辑稍有不同。
• 缺点：
  • 对于长时间运行且读取模式较稳定的系统，会不断将新访问的数据移到缓存头部，而忽略了长期热点数据，导致缓存命中率较低。
  • 浪费缓存空间，可能一直保留近期访问但实际不需要长期存在缓存中的数据。

基于MRU策略针对高读取性能且少写入操作的优化

• 引入访问频率计数：为每个缓存数据项增加一个访问频率计数器，每次数据被读取时，不仅将其移到MRU位置，还增加其访问频率计数。定期（或在缓存淘汰时）根据访问频率对缓存数据进行调整，对于访问频率高的数据，即使是较久之前访问的，也适当提高其保留在缓存中的优先级。
• 设置多级缓存：结合LRU策略设置多级缓存，比如一级缓存采用MRU策略，用于快速响应最近访问的数据；二级缓存采用LRU策略，存储那些曾经是热点但近期访问少的数据。当一级缓存未命中时，再去二级缓存查找。这样既利用了MRU对近期访问数据的快速响应，又结合LRU对热点数据的长期缓存能力。
• 缓存预取：根据系统的业务逻辑和历史访问模式，提前预测可能会被访问的数据，并将其加载到缓存中。对于那些写入少但读取性能要求高的系统，提前加载数据到MRU缓存能有效减少缓存未命中次数，提高整体缓存效率。