最近最少使用缓存（LRU算法）Java实现 （剑指offer-31）

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题目描述

运用所掌握的数据结构，设计和实现一个 LRU (Least Recently Used，最近最少使用) 缓存机制 。

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) 如果关键字已经存在，则变更其数据值；如果关键字不存在，则插入该组「关键字-值」。当缓存容量达到上限时，它应该在写入新数据之前删除最久未使用的数据值，从而为新的数据值留出空间。

进阶：是否可以在 O(1) 时间复杂度内完成这两种操作？

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

思路

直接讲复杂度为O(1)的算法。

1. 既然要实现get put都为O(1)，那肯定选用哈希表，但是如何实现LRU呢？
   我们可以将所有数据组成一个链表，每次插入新的数据放在链表末尾，同样，如果某个数据被访问，那么也将其移到链表末尾，这样链表头就是最久未使用的，需要删除时直接将表头的元素删除即可。

2. 那么怎么删除链表中的结点？很简单，只需要将这个结点的上一个结点的next指向被删除结点的next结点即可。但是在单链表中，找某个结点的前一个结点需要扫描一遍链表，复杂度为O(n)，那么如果以O(1)的复杂度找到前一个结点呢，答案是双向链表。

3. 那么操作就很好实现了。哈希表key为Integer类型，value为ListNode（双向链表）类型。get操作，从哈希表中取指定key的数据，如果不存在结点，直接返回-1，如果存在，则将其移到后面，最后返回该值。

   public int get(int key) {
          
           ListNode node = map.get(key);
           if(node == null){
          
               return -1;
           }
           moveToTail(node, node.value);
           return node.value;
       }
   

   put操作，先判断哈希表中是否已经有该key的数据了，如果有，直接给他赋新值并移到最后；如果不存在，说明要插入新的了，插入前先判断容器是否已经满了，如果没满，则直接插入到末尾，如果满了，则将头节点（最久未使用）移除，然后将新节点插入末尾。

   public void put(int key, int value) {
          
           ListNode node = map.get(key);
           if(node != null){
          
               moveToTail(node, value);
           }else{
          
               if(map.size() == capacity){
          
                   ListNode deleteNode = head.next;
                   delete(deleteNode);
                   map.remove(deleteNode.key);
               }
               ListNode newNode = new ListNode(key, value);
               insert(newNode);
               map.put(key, newNode);
           }
       }
   

完整代码

class LRUCache {
     
    Map<Integer, ListNode> map;
    int capacity;
    ListNode head;
    ListNode tail;

    public LRUCache(int capacity) {
     
        map = new HashMap();
        head = new ListNode(-1, -1);
        tail = new ListNode(-1, -1);
        this.capacity = capacity;
        head.next = tail;
        tail.pre = head;
    }
    
    public int get(int key) {
     
        ListNode node = map.get(key);
        if(node == null){
     
            return -1;
        }
        moveToTail(node, node.value);
        return node.value;
    }
    
    public void put(int key, int value) {
     
        ListNode node = map.get(key);
        if(node != null){
     
            moveToTail(node, value);
        }else{
     
            if(map.size() == capacity){
     
                ListNode deleteNode = head.next;
                delete(deleteNode);
                map.remove(deleteNode.key);
            }
            ListNode newNode = new ListNode(key, value);
            insert(newNode);
            map.put(key, newNode);
        }
    }

    private void moveToTail(ListNode node, int value){
     
        delete(node);
        node.value = value;
        insert(node);
    }
    private void delete(ListNode node){
     
        node.pre.next = node.next;
        node.next.pre = node.pre;
    }

    private void insert(ListNode node){
     
        node.pre = tail.pre;
        node.pre.next = node;
        node.next = tail;
        tail.pre = node;
    }    
}
class ListNode{
     
    public int key;
    public int value;
    public ListNode next;
    public ListNode pre;

    public ListNode(int key, int value){
     
        this.key = key;
        this.value = value;
    }
}

/**
 * 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);
 */