LRU cache 算法的实现

#什么是LRU
LRU Cache是一个Cache置换算法，含义是“最近最少使用”，当Cache满（没有空闲的cache块）时，把满足“最近最少使用”的数据从Cache中置换出去，并且保证Cache中第一个数据是最近刚刚访问的。由“局部性原理”，这样的数据更有可能被接下来的程序访问。

#LRU基本算法
##要求

1. 提供两个接口：一个获取数据int get(int key),一个写入数据void set(int key, int value)。
2. 无论获取数据还是写入数据，这个数据要保持在最容易访问的位置。
3. 缓存的数据大小有限，当缓存满时置换出最长时间没有被访问的数据，否则直接把数据加入缓存即可。

##算法

1. 使用list来保存缓存数据的访问序列，头指针指向刚刚访问过的数据。

2. 使用map保存数据的key和数据所在链表中的位置。map主要用于加速查找（log(n)的时间复杂度）。

3. 每次获取数据时，遍历map判断数据（使用数据的key）是否在缓存中，在则返回数据（存在则通过数据所在链表中的位置返回数据值）；不在则返回-1。

4. 每次写入新的数据时，可能有三种情况：

   1. 数据已在缓存中
      遍历map判断数据是否已在缓存中，在则更新数据值，并置数据缓存在链表头。
   2. 数据不在缓存中，缓存已满
      剔除掉链表末尾的数据和map指定的数据key，并把新的数据加入到缓存链表的头，并更新map；
   3. 数据不在缓存中，缓存未满
      直接把新的数据加入到缓存链表的头，并更新map。

#LRU实现

实现方案：使用stl的map和list
这里map使用unordered_map（hashmap）+list(双向链表），因此本质上使用hashmap和双向链表

class LRUCache{
    int m_capacity;
    unordered_map>::iterator> m_map; //m_map_iter->first: key, m_map_iter->second: list iterator;
    list> m_list;                              //m_list_iter->first: key, m_list_iter->second: value;
public:
    LRUCache(int capacity): m_capacity(capacity) {
      
    }
    
    int get(int key) {
        auto found_iter = m_map.find(key);
        // key 不存在
        if (found_iter == m_map.end()) 
            return -1;
        
        // key存在时，更新list的key所在节点的位置为list第一元素
        m_list.splice(m_list.begin(), m_list, found_iter->second); 
        
        return found_iter->second->second; 
    }
    
    void set(int key, int value) {
        auto found_iter = m_map.find(key);
        // key存在
        if (found_iter != m_map.end()) 
        {
            // 移动key所在list中的位置
            m_list.splice(m_list.begin(), m_list, found_iter->second); 
            // 更新值
            found_iter->second->second = value; 
            return;
        }
        // 缓存已满且key不存在，删除list中最后一个节点，并从map中删除该key
        if (m_map.size() == m_capacity) 
        {
           int key_to_del = m_list.back().first; 
           m_list.pop_back();           
           m_map.erase(key_to_del);  
        }
        // 缓存不满，list把key和value加入到list的第一个位置，并存储到map中
        m_list.emplace_front(key, value); 
        m_map[key] = m_list.begin();      
    }
};

涉及的数据结构

1. std::map：主要用于实现快速访问（logn），存储key对应的list的位置信息，这里对应key对应list的迭代器
2. std::list：主要用于存储key和value值