高阶数据结构学习——LRU Cache

---

1、了解LRU Cache（Least Recently Used缩写）

Cache是缓存，在磁盘和内存之间，内存和寄存器之间都存在，CPU和内存之间存在三级缓存，是一个三层结构。缓存用于两个速度不一致的硬件之间，提高效率用。缓存空间有限，满了以后，新数据要进入，旧数据应当怎么办？操作系统中有个热数据概念，意思是经常被使用的数据，可能放进缓存就被拿出来，再次放进后又被拿出来使用，对应的，也有很少被使用的，也就是LRU的意思，缓存满了后，新数据进来，这些很少被使用的就出去。

设计一个LRU Cache不难，设计一个高效的，任意操作都是O(1)的LRU Cache不简单，但只有这样才能满足要求。LRU Cache最主要的操作是get和put，这两个接口必须以O(1)的时间复杂度进行。

2、代码实现

看一个题

146. LRU 缓存

看在不在，可以看地址是否在缓存中。整个操作有查找，更新，新增。虽然可以用unordered_map作为缓存，做到查找，更新都O(1)，但如何找到LRU？这涉及到顺序问题，还有时间问题，这里的解决办法就是用vector或list来控制LRU，比如list，在这个list里，让处于尾部就是最久未被使用的，用一个数据就把它提到头部，list> _LRUList。但这两个结合还是做不到O(1)。因为更新时无法做到O(1)，更新时可以直接修改map里的数据，但在list中更新时需要先找到这个数据再放到头部，所以不是O(1)。

以上问题的解决办法是找到key时，就同时找到key对应存储数据在list中的位置。把map中value的类型换成list的迭代器，这样map[key]中存的就是一个指针，指向list中的对应的元素，如果要使用这个数据时就用指针把它拿出来，然后头插即可。

private:
    typedef list<pair<int, int>>::iterator LtIter;
    unordered_map<int, LtIter> _hashMap;
    list<pair<int, int>> _LRUList;

class LRUCache {
public:
    LRUCache(int capacity) 
        :_capacity(capacity)
    {}
    
    int get(int key) {
        auto ret = _hashMap.find(key);
        if(ret != _hashMap.end())
        {
            //更新key对应值的位置
            LtIter it = ret->second;
            //方案1: erase + push_front 更新迭代器，原迭代器失效
            //方案2: list的splice接口可以转移节点
            _LRUList.splice(_LRUList.begin(), _LRUList, it);
            return ret->second->second;//第一个second对应迭代器，第二个second对应list的pair
        }
        else
        {
            return -1;
        }
    }
    
    void put(int key, int value) {
        //1、新增
        //2、更新
        auto ret = _hashMap.find(key);
        if(ret == _hashMap.end())//新增
        {
            if(_capacity == _hashMap.size())
            {
                pair<int, int> back = _LRUList.back();
                _hashMap.erase(back.first);
                _LRUList.pop_back();  
            }
            _LRUList.push_front(make_pair(key, value));
            _hashMap[key] = _LRUList.begin();
        }
        else//更新
        {
            LtIter it = ret->second;
            it->second = value;
            _LRUList.splice(_LRUList.begin(), _LRUList, it);
        }
    }
private:
    typedef list<pair<int, int>>::iterator LtIter;
    unordered_map<int, LtIter> _hashMap;
    list<pair<int, int>> _LRUList;
    size_t _capacity;
};

结束。