CN111159066A - 一种动态调整的缓存数据管理及淘汰方法 - Google Patents

一种动态调整的缓存数据管理及淘汰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态调整的缓存数据管理及淘汰方法。本发明根据缓存项的访问时间及命中次数属性，动态调整缓存项在内存中的位置。内存分为热数据区和冷数据区，让命中次数多、访问时间近的缓存项保持在热数据区的前部，让命中次数少、访问时间远的缓存项保持在冷数据区的尾部。当缓存容量达到阈值，需要淘汰数据时，直接删除冷数据区尾部的缓存项。本发明通过冷热数据区的动态调整实现精准淘汰数据，增加了缓存中热点数据的比重，减轻了缓存污染问题，提高了缓存命中率。

Description

一种动态调整的缓存数据管理及淘汰方法
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种缓存数据的管理和置换方法。
背景技术
在软件系统中，存在大量的数据读取操作。数据存储在数据库中，用户发出请求，服务器进行处理，需要经过建立数据库连接，执行SQL指令，返回查询结果三个步骤，这会带来额外的资源消耗，增加系统响应时间。在实际的业务系统中，存在很多重复的读取操作，如果可以将数据缓存在服务器的内存中，下次用户请求时，直接从内存中读取，就可以避免连接数据库的开销，提升系统响应速度。
缓存对系统优化有重要意义，但是服务器内存空间有限，内存占用过多会影响性能，我们不能无限制地缓存，需要合理设置缓存容量。缓存容量限制了缓存数据的数目，当容量达到阈值，需要按照一定规则合理淘汰数据，保留经常使用的热点数据，抛弃不常用的数据，使缓存价值最大化。
常见的数据置换策略有LFU（Least Frequently Used）、LRU（Least RecentlyUsed）。LFU优先清理命中次数低的数据，这样使用次数多的缓存项可以长久保存在内存中。LRU是最先淘汰最久没有使用的数据，根据缓存项的访问时间先后进行淘汰。
但是LFU和LRU都存在缓存污染问题。LFU没有办法对一些以前经常使用现在几乎不用的缓存项负责，历史热点数据污染当前热点数据；LRU易受偶发性的批量操作影响，大量临时数据涌入缓存，挤出热点数据，导致热点命中率急剧下降，缓存污染情况严重。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种动态调整的缓存数据管理及淘汰方法，兼顾缓存项的访问时间及命中次数因素，动态调整缓存项在内存中的位置，包括所属区域及区域内的排列顺序，实现精准淘汰缓存数据。
将内存分为热数据区和冷数据区，对缓存项添加hitTimes描述属性，设定一个命中次数阈值K，K值根据具体业务需求确定。新增缓存项存放在冷数据区，hitTimes属性值初始为1。当缓存项被命中时，将该项移动到对应数据区的头部，缓存项的hitTimes属性值加1。当hitTimes值达到阈值K时，就将该缓存项从冷数据区转移到热数据区头部。
当有新的缓存项需要加入内存时，要判断冷数据区容量是否达到阈值，如果没有，将新缓存项放入冷数据区头部；如果达到阈值，需要先淘汰缓存，留出足够的空间给新缓存项；淘汰时直接删除冷数据区的尾结点。
当冷数据区的缓存项访问次数达到K，将要转移到热数据区时，先判断热数据区容量是否达到阈值，如果没有，将缓存项放入热数据区头部；如果达到阈值，将热数据区的尾结点删除，放入冷数据区头部，然后将待转移的缓存项放入热数据区头部。
缓存项的hitTimes属性顾及命中次数因素，缓存项在链表中的位置顾及访问时间先后因素，两者结合，避免了只以一个属性进行缓存淘汰带来的缺陷。
本发明的有益效果：对缓存数据进行分区管理，冷热数据区的划分避免了偶发的批量操作造成的缓存污染。当热数据区存在历史热数据时，经过一定的周期可以通过将该数据先转移到冷数据区再淘汰的方式避免历史热点数据对缓存的污染。使用本发明提出的缓存数据管理及淘汰方法，只从冷数据区淘汰数据，尽量避免置换出热数据，可以提高缓存中热点数据的比重，提高缓存命中率。对系统来说，具有较好的性能优化的效果。
附图说明
图1是本发明的整体机制示意图。
图2是本发明的缓存管理流程图。
图3是本发明新增缓存项时的缓存淘汰流程图。
图4是本发明转移缓存项时的缓存淘汰流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，所述动态调整的缓存数据管理及淘汰方法整体机制为：将内存空间分为热数据区和冷数据区，都采用双向链表进行组织管理，分别用链表H、链表C指代。当有新增缓存项时，将该缓存项放入链表C的头部，缓存项中的hitTimes属性记为1。链表C按照LRU规则进行缓存淘汰。每次命中缓存项时将该项的hitTimes加1，当某个缓存项的hitTimes达到设定的值K时，从链表C中删除该项，放入链表H的头部。如果命中的缓存项在链表H中，按照LRU规则进行管理和淘汰，但是淘汰出的缓存项不是从内存中删除了，而是插入到链表C的头部。缓存只从链表C的尾部删除，K的值根据具体业务需求确定。总结起来主要包含以下几点：
（1）新缓存放入冷数据区头部。
（2）热数据区和冷数据区都按照LRU规则管理缓存。
（3）当冷数据区中的缓存项访问次数达到一定量K时，将数据从冷数据区删除，加入热数据区头部。
（4）热数据区淘汰的数据放入冷数据区的头部。
（5）冷数据区淘汰的数据从缓存中删除。
如图2所示，当命中缓存项时，先将缓存项的htiTimes属性值加1，然后判断缓存项所在区域。若缓存项在热数据区中，将该缓存项移动到对应链表头部。若缓存项在冷数据区，判断缓存项的命中次数是否达到转移阈值K，如果hitTimes达到K值，将缓存项从冷数据区删除，放入热数据区头部；如果hitTimes没有达到K，将缓存项移动到冷数据区头部。
如图3所示，当有新的缓存项需要加入内存时，要判断冷数据区容量是否达到阈值，如果没有，将新缓存项放入冷数据区头部；如果达到阈值，需要先淘汰缓存再将新缓存项放入冷数据区头部，留出足够的空间给新缓存项。淘汰时直接删除冷数据区的尾结点。
如图4所示，当冷数据区的缓存项访问次数达到K，将要转移到热数据区时，先判断热数据区容量是否达到阈值，如果没有，将缓存项放入热数据区头部；如果达到阈值，将热数据区的尾结点删除，放入冷数据区头部，然后将需要转移的缓存项放入热数据区头部。

Claims (3)

1.一种动态调整的缓存数据管理及淘汰方法，其特征在于：将内存区域按照命中次数分为热数据区和冷数据区，根据访问时间及命中次数属性动态调整缓存项的位置，包括所属区域及区域内的排列顺序；热数据区和冷数据区均采用双向链表进行组织，并按照LRU规则进行组织管理。
2.根据权利要求1所述的动态调整的缓存数据管理及淘汰方法，其特征在于，缓存数据管理步骤为：对缓存项添加hitTimes描述属性，设定一个命中次数阈值K，新增缓存项存放在冷数据区，hitTimes属性值初始为1；当缓存项被命中时，将该项移动到对应数据区的头部，缓存项的hitTimes属性值加1；当hitTimes值达到阈值K时，就将该缓存项从冷数据区转移到热数据区头部。
3.根据权利要求1所述的动态调整的缓存数据管理及淘汰方法，其特征在于，缓存数据淘汰步骤为：当有新的缓存项需要加入内存时，判断冷数据区容量是否达到阈值，如果没有，则将新缓存项放入冷数据区头部；如果达到阈值，淘汰缓存，留出足够的空间给新缓存项；淘汰时直接删除冷数据区的尾结点；
当冷数据区的缓存项访问次数达到K，将要转移到热数据区时，先判断热数据区容量是否达到阈值；如果没有，将缓存项放入热数据区头部；如果达到阈值，将热数据区的尾结点删除，放入冷数据区头部，然后将需要转移的缓存项放入热数据区头部。
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