leetcode-146 LRU Cache

LeetCode 146. LRU 缓存

1 题目描述

• 题目链接：146. LRU 缓存

请你设计并实现一个满足 LRU (最近最少使用) 缓存 约束的数据结构。
实现 LRUCache 类：

• LRUCache(int capacity) 以 正整数 作为容量 capacity 初始化 LRU 缓存
• int get(int key) 如果关键字 key 存在于缓存中，则返回关键字的值，否则返回 -1 。
• void put(int key, int value) 如果关键字 key 已经存在，则变更其数据值 value ；如果不存在，则向缓存中插入该组 key-value 。如果插入操作导致关键字数量超过 capacity ，则应该 逐出 最久未使用的关键字。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

示例1：

输入: [“LRUCache”, “put”, “put”, “get”, “put”, “get”, “put”, “get”, “get”, “get”]
[[2], [1, 1], [2, 2], [1], [3, 3], [2], [4, 4], [1], [3], [4]]
输出: [null, null, null, 1, null, -1, null, -1, 3, 4]
解释:
LRUCache lRUCache = new LRUCache(2);
lRUCache.put(1, 1); // 缓存是 {1=1}
lRUCache.put(2, 2); // 缓存是 {1=1, 2=2}
lRUCache.get(1); // 返回 1
lRUCache.put(3, 3); // 该操作会使得关键字 2 作废，缓存是 {1=1, 3=3}
lRUCache.get(2); // 返回 -1 (未找到)
lRUCache.put(4, 4); // 该操作会使得关键字 1 作废，缓存是 {4=4, 3=3}
lRUCache.get(1); // 返回 -1 (未找到)
lRUCache.get(3); // 返回 3
lRUCache.get(4); // 返回 4

2 思路

  用一个双向链表来存储节点，为什么要用双向链表呢？因为双向链表的操作相对于单向链表而言更为便捷，如果要将某个节点移到链表的表头，那么就需要用到它前边一个节点，那如果单向链表的话就需要存储两个节点，过于麻烦。

  由于题目中put的平均操作要求是O(1)，所以考虑采用map的方式，通过key直接找到节点，然后就可以进行操作。

  每次对节点进行操作，也就是get，就将对应的节点移到链表头，也就是调用一次move2Head()函数；而当调用put，需要判断此时map中的节点数，如果节点数已经等于最大容量，那么就需要将链表的最后一个节点删除(调用deleteTail函数)，然后再插入节点，而没满则直接插入(调用addAtHead函数)即可。

  删除节点时记得也要讲map中的对应的键值对擦除，而插入时也记得要将键值对插入到map中，将节点调到表头，由于没有改变节点的地址，所以不用修改map中的键值对。

class LRUCache {
    struct DLinkedList {
        int key, value;
        DLinkedList *prev;
        DLinkedList *next;
        DLinkedList(): key(), value(), prev(nullptr), next(nullptr) {}
        DLinkedList(int _key, int _val): key(_key), value(_val), prev(nullptr), next(nullptr) {}
    };

    // @param: head: 链表虚拟头结点，key-value:待插入节点键值对
    // 返回新节点，用于后续实现key到节点的映射
    DLinkedList* addNode(DLinkedList* head, int key, int value) {
        DLinkedList *newNode = new DLinkedList(key, value);
        newNode->next = head->next;
        head->next->prev = newNode;
        newNode->prev = head;
        head->next = newNode;
        return newNode;
    }

    // @param: head: 链表虚拟尾结点
    // 返回最后一个节点，用于后续从map中擦除并释放掉
    DLinkedList* deleteTail(DLinkedList* tail) {
        DLinkedList *node = tail->prev;
        node->prev->next = node->next;
        node->next->prev = node->prev;
        node->next = nullptr;
        node->prev = nullptr;
        return node;
    }

    // @param: head:虚拟头结点，cur: 待移到表头的节点
    // 无返回值
    void move2Head(DLinkedList* head,  DLinkedList *cur) {
        cur->prev->next = cur->next;
        cur->next->prev = cur->prev;
        cur->next = head->next;
        head->next->prev = cur;
        head->next = cur;
        cur->prev = head;
    }

    unordered_map<int, DLinkedList*> hash;  
    DLinkedList *head, *tail;   // 虚拟头结点、尾节点，方便插入和删除
    int cap;                    // 最大容量
public:
    LRUCache(int capacity) {
        head = new DLinkedList();
        tail = new DLinkedList();
        head->next = tail;
        tail->prev = head;
        cap = capacity;
    }

    int get(int key) {
        if(!hash.count(key))    return -1;  // 不存在这个key
        DLinkedList *cur = hash[key];       // 获取key所对应的节点
        move2Head(head, cur);               // 将节点移到链表头
        return cur->value;                  // 返回节点的值
    }
    
    void put(int key, int value) {
        if(hash.count(key)) {   
            // 已存在该key，直接进行修改并将节点移到链表头            
            DLinkedList *cur = hash[key];   // 获取节点位置
            move2Head(head, cur);           // 将节点移到链表头
            cur->value = value;             // 修改节点的值
        }else{
            // 不存在该key,分情况处理
            if(hash.size() == cap) {
                // 容量已满
                DLinkedList *node = deleteTail(tail);   // 将最后一个节点从链表中删除
                hash.erase(node->key);                  // 从map中删除最后一个节点
                delete(node);                           // 释放内存
            }
            hash[key] = addNode(head, key, value);      // 插入新节点并实现映射
        }
    }
};

/**
 * Your LRUCache object will be instantiated and called as such:
 * LRUCache* obj = new LRUCache(capacity);
 * int param_1 = obj->get(key);
 * obj->put(key,value);
 */