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文章标题：Python 如何使用 LRU 缓存？
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在Python中，使用LRU（Least Recently Used，最近最少使用）缓存是一种优化技术，尤其适用于那些计算成本高昂且结果可以复用的函数。LRU缓存策略通过保持最近访问的数据项，并在缓存达到其容量限制时丢弃最久未使用的数据项，来减少计算时间和提高程序效率。Python标准库中的functools模块提供了lru_cache装饰器，使得实现LRU缓存变得异常简单。下面，我们将深入探讨如何在Python中使用lru_cache，并通过实例展示其在实际编程中的应用。

LRU缓存的基本原理

LRU缓存算法的核心在于维护一个数据项的有序列表（或类似结构），其中列表的头部代表最近访问的数据项，尾部则代表最久未访问的数据项。当新数据项被访问时，如果它已存在于缓存中，则将其移动到列表的头部；如果不在缓存中且缓存未满，则将其添加到列表头部；如果缓存已满，则移除列表尾部的数据项（即最久未使用的数据项），然后将新数据项添加到头部。

使用functools.lru_cache

Python的functools.lru_cache装饰器为函数提供了一个透明的LRU缓存。你只需要在函数定义前加上这个装饰器，并可选地指定一个最大缓存大小（默认为128），lru_cache就会自动处理缓存逻辑。

基本用法

from functools import lru_cache

@lru_cache(maxsize=128)
def expensive_function(arg):
    # 假设这里有一个复杂的计算过程
    return arg * 2

# 使用示例
print(expensive_function(10))  # 计算并缓存结果
print(expensive_function(10))  # 直接从缓存中获取结果，无需重新计算

参数和返回值

lru_cache可以缓存任何可哈希（hashable）的输入参数组合对应的函数返回值。这意味着，如果函数有多个参数，只要这些参数组合是可哈希的，lru_cache就能为它们缓存结果。

缓存的清除

如果你需要清除缓存（比如，因为数据可能已过时），可以使用cache_clear方法。

expensive_function.cache_clear()  # 清除缓存

缓存信息

lru_cache还提供了cache_info方法，用于获取缓存的当前状态，包括命中次数、未命中次数、缓存大小等。

print(expensive_function.cache_info())

应用场景

1. 递归函数优化

递归函数往往包含大量的重复计算，尤其是在处理重叠子问题时。使用lru_cache可以显著减少这些重复计算，提高递归函数的效率。

@lru_cache(maxsize=None)  # 对于递归函数，可能希望缓存尽可能多的结果
def fibonacci(n):
    if n <= 1:
        return n
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

# 使用示例
print(fibonacci(10))  # 计算斐波那契数列的第10项

2. 复杂计算的缓存

在数据处理或科学计算中，经常需要进行一些计算成本高昂的操作，如数据库查询、复杂的数学计算或网络请求。这些操作的结果往往可以在一定时间内复用，因此非常适合使用lru_cache进行缓存。

3. 频繁访问的API调用

对于外部API的调用，尤其是那些有频率限制或响应较慢的API，使用lru_cache可以减少对API的调用次数，提高程序的响应速度。

进阶用法

自定义缓存键

有时，你可能需要根据不同的规则来生成缓存键。lru_cache允许你通过make_key参数来自定义缓存键的生成方式。

from functools import lru_cache

def custom_make_key(func, args, kwargs, typed, /):
    # 自定义缓存键生成逻辑
    return tuple(sorted(kwargs.items()))

@lru_cache(maxsize=128, make_key=custom_make_key)
def my_function(a, b=None):
    # 函数体
    pass

类型敏感缓存

默认情况下，lru_cache在比较参数时是不考虑参数类型的（即，Python的默认行为是忽略类型，只比较值）。如果你希望缓存对参数类型敏感，可以将typed参数设置为True。

@lru_cache(maxsize=128, typed=True)
def my_function(a, b):
    # 函数体
    pass

结合码小课的学习资源

在码小课网站上，你可以找到更多关于Python编程和性能优化的学习资源。通过学习这些资源，你可以更深入地理解LRU缓存的原理和应用场景，以及如何将其与其他Python高级特性结合使用，来编写更高效、更优雅的代码。

例如，你可以结合码小课上的“Python进阶编程”课程，学习如何在项目中灵活应用lru_cache，以及如何通过性能测试来验证缓存的效果。此外，还可以参考“Python算法与数据结构”课程，了解更多关于缓存策略和数据结构优化的知识，这些都将对你掌握LRU缓存及其在Python中的应用大有裨益。

总结

functools.lru_cache是Python中一个非常实用的装饰器，它提供了简单而强大的LRU缓存功能。通过为函数添加这个装饰器，你可以轻松实现缓存逻辑，减少计算成本，提高程序性能。无论是处理递归函数、复杂计算还是频繁访问的API调用，lru_cache都能为你提供有效的帮助。希望本文能为你深入了解和使用lru_cache提供一些有益的参考。

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