【LeetCode】【哈希表+双向链表】LRU 缓存 思路解析和代码

LRU 缓存

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个人思路

采用C++的容器，没有手撕双向链表

题意

实现LRU的初始化，读取，写入，分别对应LRUCache()、get()、put()

用到的理论和技术

1. 双向链表list的插入、删除、访问、迭代器、auto关键字
2. map，插入、删除、访问
3. 类的初始化
4. LRU机制

思路

LRU（Least Recently Used），最近最少使用算法，是页面置换算法的一种
也叫最近最久未使用算法
LRUCache()：初始化内存的大小
get()：获取内存中的数据，若不存在返回-1
put()：向内存写入数据。

1. 若数据存在，则更新并访问当前数据，表示当前使用过当前数据；
2. 如果不存在
   • 内存没有超限，则写入当前数据，表示当前使用过当前数据。
   • 内存超限，删去最近最久未使用的数据，写入当前数据，表示当前使用过当前数据。

数据结构：
下文规定，哈希表map统称键值；输入数据统称key，val

1. pair：输入数据是key，val的形式，数据形式：key,val
2. 双向链表List >，双向链表
3. map::iterator>，mp[key]：map的键 == 数据的key，map的值 == 数据 key,val在双向链表中的迭代器

Q1：为什么要用链表
A：由于算法考虑到访问的顺序，因此需要使用链表
Q2：为什么要用双向量表
A：链表头部表示最近使用过，链表尾部表示最近未使用过，因此涉及到头部的插入和尾部的插入与删除
Q3：为什么要用map
A：要保证常规时间内插入删除
Q4：为什么map的值是key-val对所在双向链表中的迭代器
A：便于list.erase(iter)，在任意位置删除
Q5：既然哈希表中已经存了 数据的key，为什么链表中还要存数据key-val对呢，只存val不行么？
A：当内存满了，双向链表末尾数据被删除，对应的哈希表中的旧数据也要删除，然而哈希表的删除是根据哈希表的值进行的，链表中只存数据的val，是无法找到对应数据的key

注意

• list的函数，begin()和end()表示的不是元素，而是迭代器
• 元素是通过front()和back()访问的
• end()表示的不是容器最后一个元素的迭代器，而是容器末端下一位置
• auto访问map时，这里的auto推导出来的类型并不是迭代器类型，而是键值对(pair)类型

  //因此get()不能写成
  //key存在，返回key的val，并把键值对提到链表头部
  auto key_value = *hash[key];//这里的auto推导出来的类型并不是迭代器类型，而是键值对(pair)类型，不能省略
  cache.erase(hash[key]); //cache删除旧数据
  cache.push_front(*hash[key]); //cache把键值对提到链表头部，此处不能用*hash[key]替换auto，此时catche需要的是pair，auto类型转换结果是pair，但*hash[key]结果不是pair
  hash[key] = cache.begin();
  return cache.front().second;
  

个人思路代码

伪代码

// key 映射到 Node(key, val)
HashMap<Integer, Node> map;
// Node(k1, v1) <-> Node(k2, v2)...
DoubleList cache;

int get(int key) {
    if (key 不存在) {
        return -1;
    } else {        
        将数据 (key, val) 提到开头；
        return val;
    }
}

void put(int key, int val) {
    Node x = new Node(key, val);
    if (key 已存在) {
        把旧的数据删除；
        将新节点 x 插入到开头；
    } else {
        if (cache 已满) {
            删除链表的最后一个数据腾位置；
            删除 map 中映射到该数据的键；
        } 
        将新节点 x 插入到开头；
        map 中新建 key 对新节点 x 的映射；
    }
}

class LRUCache {
private:
    int cap;
    list<pair<int, int> > cache; //双向链表，保证头尾节点在常规时间内删除、插入
    //hash的键存储 数据的key，hash的值存储  数据key-val键值对在双向链表中的迭代器
    unordered_map<int, list<pair<int, int> >::iterator> hash; 
public:
    LRUCache(int capacity) {
        cap = capacity;
    }
    
    //获取缓存中的关键字
    int get(int key) {
        if(hash.count(key) == 0){
            //key不存在，返回-1
            return -1;
        }
        else{
            //key存在，返回key的val，并把键值对提到链表头部
            auto key_value = *hash[key];//这里的auto推导出来的类型并不是迭代器类型，而是键值对(pair)类型，不能省略
            cache.erase(hash[key]); //cache删除旧数据
            cache.push_front(key_value); //cache把键值对提到链表头部
            hash[key] = cache.begin();
            return cache.front().second;
        }
    }
    
    //插入缓存
    void put(int key, int value) {
        if(hash.count(key) != 0){
            //key值已存在，把旧数据删除，新数据插入到双向链表头部
            cache.erase(hash[key]);//删去cache中的旧数据
        }
        else{
            //key值不存在
            if(cache.size() >= cap){
                //内存超限，删除双向链表末尾数据，删除hash中的旧数据，新数据插入到双向链表头部
                hash.erase(cache.back().first);//hash删除末尾数据
                // cache.erase(cache.end());//cache删除末尾数据，末尾数据的地址并非cache.end()，如for(iter != mp.end())
                cache.pop_back();
            }
        }
        //新数据插入到双向链表头部
        cache.push_front({key, value});
        hash[key] = cache.begin();
    }
};

/**
 * 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);
 */

参考

作者：labuladong
链接：https://leetcode-cn.com/problems/lru-cache/solution/lru-ce-lue-xiang-jie-he-shi-xian-by-labuladong/
来源：力扣（LeetCode）
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