LeetCode 热题 HOT 100 第四十七天 146. LRU 缓存 中等题 用python3求解

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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：
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

提示：
1 <= capacity <= 3000
0 <= key <= 10000
0 <= value <= 10^5
最多调用 2 * 10^5 次 get 和 put


题目描述
运用你所掌握的数据结构，设计和实现一个 LRU (最近最少使用) 缓存机制。它应该支持以下操作：获取数据 get和写入数据 put。

获取数据 get(key) - 如果密钥 (key) 存在于缓存中，则获取密钥的值（总是正数），否则返回 -1。

写入数据 put(key, value) - 如果密钥不存在，则写入其数据值。当缓存容量达到上限时，它应该在写入新数据之前删除最近最少使用的数据值，从而为新的数据值留出空间。

解法：哈希表+双链表

分析
看到题目要我们实现一个可以存储 key-value 形式数据的数据结构，并且可以记录最近访问的 key 值。首先想到的就是用字典来存储 key-value 结构，这样对于查找操作时间复杂度就是 O(1)O(1)。

但是因为字典本身是无序的，所以我们还需要一个类似于队列的结构来记录访问的先后顺序，这个队列需要支持如下几种操作：

• 在末尾加入一项
• 去除最前端一项
• 将队列中某一项移到末尾

将双向链表的头Head设置成了最不常用元素， 而将尾巴Tail设置为了最常用元素

参考地址：https://leetcode.cn/problems/lru-cache/solution/shu-ju-jie-gou-fen-xi-python-ha-xi-shuang-xiang-li/

代码实现：

class ListNode:
    def __init__(self, key=None, value=None):
        self.key = key
        self.value = value
        self.prev = None
        self.next = None

class LRUCache:
    def __init__(self, capacity: int):
        self.capacity = capacity
        self.hashmap = {}
        # 新建两个节点 head 和 tail
        self.head = ListNode()
        self.tail = ListNode()
        # 初始化链表为 head <-> tail
        self.head.next = self.tail
        self.tail.prev = self.head

    # 因为get与put操作都可能需要将双向链表中的某个节点移到末尾，所以定义一个方法
    def move_node_to_tail(self, key):
            # 先将哈希表key指向的节点拎出来，为了简洁起名node
            #      hashmap[key]                               hashmap[key]
            #           |                                          |
            #           V              -->                         V
            # prev <-> node <-> next         pre <-> next   ...   node
            node = self.hashmap[key]
            node.prev.next = node.next
            node.next.prev = node.prev
            # 之后将node插入到尾节点前
            #                 hashmap[key]                 hashmap[key]
            #                      |                            |
            #                      V        -->                 V
            # prev <-> tail  ...  node                prev <-> node <-> tail
            node.prev = self.tail.prev
            node.next = self.tail
            self.tail.prev.next = node
            self.tail.prev = node

    def get(self, key: int) -> int:
        if key in self.hashmap:
            # 如果已经在链表中了就把它移到末尾（变成最新访问的）
            self.move_node_to_tail(key)
        res = self.hashmap.get(key, -1) # 获取key，如果找不到key就返回-1
        if res == -1:
            return res
        else:
            return res.value

    def put(self, key: int, value: int) -> None:
        if key in self.hashmap:
            # 如果key本身已经在哈希表中了就不需要在链表中加入新的节点
            # 但是需要更新字典该值对应节点的value
            self.hashmap[key].value = value
            # 之后将该节点移到末尾
            self.move_node_to_tail(key)
        else:
            if len(self.hashmap) == self.capacity:
                # 去掉哈希表对应项
                self.hashmap.pop(self.head.next.key)
                # 去掉最久没有被访问过的节点，即头节点之后的节点
                self.head.next = self.head.next.next
                self.head.next.prev = self.head
            # 如果不在的话就插入到尾节点前
            new = ListNode(key, value)
            self.hashmap[key] = new
            new.prev = self.tail.prev
            new.next = self.tail
            self.tail.prev.next = new
            self.tail.prev = new