LRU缓存机制(LeetCode.146)

下面是2020年9月16日面试遇到的一道真实面试题。

题目

截图自LeetCode.146LRU缓存机制

解析

LRU(Least Recently Used)最近最少使用。在O(1)时间复杂度完成获取和写入数据两个操作。

• 获取数据：定位到数据
• 写入数据：获取数据并且更新；或者如果仍有缓存直接写入；如果缓存不够需要清理原有的最近最少使用的数据后，写入新数据。

上面两个数据操作，O(1)时间复杂度查找到数据可以使用map数据结构，除此之外还有可能会清理原有的最近最少使用的数据，这样在数据保存的基础上还需要记录数据访问的先后顺序，这个顺序可以使用链表实现。那么，我们定义的数据结构就应该兼有map和list两种属性。map可以直接复用JDK中的HashMap，然后在这个基础上，让HashMap中节点具有双向链表的属性，链表中节点按照访问时间早晚的顺序排列(表头数据是最近访问的，表尾数据是最近最少使用的)。
在内存中数据存储应该如下图所示：

内存中数据存储结构

使用JDK中的HashMap，定义自己value的节点结构，增加具有双向链表的性质。关于双向链表可以参考Java的LinkedList源码解析。
如下定义LRUNode。

public class LRUNode{
    int key;
    int value;
    LRUNode prev;
    LRUNode next;

    public LRUNode(){}

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

代码

两个操作逻辑：

• get操作：如果key不存在，返回-1；如果存在返回value，并且将这个key的LRUNode移动到链表的头部(moveToHead()函数)。
• put操作：如果key存在，更新value，将LRUNode移动链表的头部(moveToHead()函数)；如果key不存在，判断当前缓存是否已满。如果缓存未满，直接map中放入新数据，并且新数据要连接到链表的头部(addToHead()函数)；如果缓存已满，删除链表的尾部节点(最近最少使用的)(removeTailNode()函数)，放入新数据并且连接到链表的头部(addToHead()函数)。

public class LRUCache {
    //缓存容量
    private int capacity;
    //双向链表的头尾指针
    private LRUNode head, tail;
    //JDK的map作为存储
    private Map cache;
    //缓存中当前实际的数据量
    private int size;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
        cache = new HashMap<>();
        //定义头指针
        head = tail = new LRUNode();
    }

    //get操作
    public int get(int key) {
        LRUNode node = cache.get(key);
        //如果key不存在，返回-1
        if (null == node){
            return -1;
        }
        //如果存在返回value，并且将这个key的LRUNode移动链表的头部
        moveToHead(node);
        return node.value;
    }

    //put操作
    public void put(int key, int value) {
        LRUNode node = cache.get(key);
        //如果key存在
        if (null != node){
            //更新value
            node.value = value;
            //将LRUNode移动到链表的头部
            moveToHead(node);
            return;
        }
        //如果key不存在
        //缓存未满
        if (size < capacity){
            size++;
        } else {//缓存已满，删除链表的尾部节点
            removeTailNode();
        }
        LRUNode newNode = new LRUNode(key, value);
        //放入新数据
        cache.put(key, newNode);
        //新数据要连接到链表的头部
        addToHead(newNode);
    }

    //删除链表的尾部节点
    private void removeTailNode(){
        if (head == tail){
            return;
        }
        int key = tail.key;
        tail = tail.prev;
        tail.next = null;
        cache.remove(key);
    }

    //新数据连接到链表的头部
    private void addToHead(LRUNode node){
        if (head == tail){
            head.next = node;
            node.prev = head;
            tail = node;
            return;
        }
        node.next = head.next;
        head.next.prev = node;
        head.next = node;
        node.prev = head;
    }

    //移动节点到链表的头部
    private void moveToHead(LRUNode node){
        if (node.prev == head){
            return;
        }
        LRUNode prev = node.prev;
        if (node == tail){
            prev.next = null;
            tail = prev;
        } else {
            prev.next = node.next;
            node.next.prev = prev;
        }
        node.next = head.next;
        head.next.prev = node;
        head.next = node;
        node.prev = head;
    }
}