如何实现线程安全的 LRU 缓存驱逐？

Question

我已经实现了一个 LRU 缓存 (code)，我想将它用于具有 N 个元素和完整 N^2（所有对）匹配的多线程匹配问题。理想情况下，我会直接从缓存中获取对每个元素的引用以节省内存。

匹配两个元素（我们称它们为 A 和 B）所需的时间可能会有很大差异，我担心如果一对元素需要很长时间才能匹配，那么另一个线程（工作速度非常快并且正在处理许多对) 将导致 A 或 B 从缓存中逐出，使引用无效。

一个简单的解决方案是不使用引用，但我想知道是否有更好的方法来确保元素在“当前使用”或引用它们时不会被驱逐？

Answer 1

为避免驱逐正在使用的对象，可以使用std::shared_ptr 的引用计数功能。考虑以下实现：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <map>
#include <algorithm>

template <typename K, typename V> class cache
{
public:
    cache() {}

    static const constexpr int max_cache_size = 2;

    std::shared_ptr<V> getValue(const K& k)
    {
        auto iter = cached_values.find(k);
        if (iter == cached_values.end()) {

            if (cached_values.size() == max_cache_size) {
                auto evictIter =
                    std::find_if(cached_values.begin(), cached_values.end(),
                        [](const auto& kv) { return kv.second.second.unique(); });

                if (evictIter == cached_values.end()) {
                    std::cout << "Nothing to evict\n";
                    return nullptr;
                }

                cached_values.erase(evictIter);
            }

            static V next;

            iter = cached_values.insert(std::make_pair(k, std::make_pair(++next, nullptr))).first;
            iter->second.second = std::shared_ptr<V>(&iter->second.first, [](const auto&) {});
        }

        return iter->second.second;
    }

    std::map<K, std::pair<V, std::shared_ptr<V>>> cached_values;
};

int main()
{
    cache<int, int> c;

    std::cout << *c.getValue(10) << "\n";
    std::cout << *c.getValue(20) << "\n";
    std::cout << *c.getValue(30) << "\n";

    auto useOne = c.getValue(10);
    auto useTwo = c.getValue(20);
    std::cout << *c.getValue(20) << "\n"; // We can use stuff that is still in cache
    std::cout << c.getValue(30);          // Cache is full, also note no dereferencing
}

基本上，只要缓存之外的任何人使用返回值，std::shared_ptr::unique 就会返回 false，从而使缓存条目不可驱逐。

Live example