面试题：缓存设计：ARC算法的实现细节

Question

假设你要在一个后端系统中实现ARC算法用于缓存替换，描述实现过程中需要的数据结构以及关键操作（如缓存命中、缓存未命中时的处理）的具体步骤。

Answer 1

1. 需要的数据结构

• 双向链表：用于维护缓存项的访问顺序。链表节点包含缓存数据以及指向前后节点的指针。通过双向链表，我们可以高效地在链表头部添加新访问的节点，在链表尾部移除最久未使用的节点。
• 哈希表：用于快速查找缓存项是否存在。哈希表的键为缓存项的标识，值为双向链表中对应节点的指针。这样可以在O(1)时间复杂度内判断缓存是否命中。

2. 关键操作步骤

缓存命中

1. 当有请求到达时，首先在哈希表中查找请求的缓存项标识。
2. 如果哈希表中存在该标识，说明缓存命中。获取哈希表中对应的值（即双向链表中该缓存项节点的指针）。
3. 将该节点从当前位置移到双向链表头部，表示该项刚刚被访问过。这一操作可以通过调整双向链表节点的指针来完成，时间复杂度为O(1)。

缓存未命中

1. 如果哈希表中不存在请求的缓存项标识，说明缓存未命中。
2. 检查缓存是否已满。如果缓存未满，创建一个新的缓存项节点，将其添加到双向链表头部，并将该节点指针存入哈希表中，键为该缓存项的标识。
3. 如果缓存已满，移除双向链表尾部的节点（最久未使用的节点），同时从哈希表中删除对应的键值对。然后创建新的缓存项节点，添加到双向链表头部，并在哈希表中插入相应的键值对。