146.LRU 缓存 | 编程记录小站

哈希表链表双向链表设计

链表

发布日期: 2024-08-13

更新日期: 2024-09-23

文章字数: 1.1k

阅读时长: 4 分

题目:146.LRU 缓存

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 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

提示：

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

思路

为了实现一个满足 LRU（最近最少使用）缓存要求的数据结构，可以结合哈希表和双向链表来实现。哈希表：用来存储键值对，方便快速查找。 双向链表：用来维护缓存数据的顺序，最近访问的节点放在链表头部，最少使用的节点放在链表尾部。

LRU 缓存

哈希表：
- 通过哈希表存储键和链表节点之间的映射，这样我们可以在 O(1) 时间内找到节点的位置。
双向链表：
- 维护一个双向链表，链表头部存放最近使用的节点，尾部存放最少使用的节点。
- 当我们访问某个键时，将对应的节点移到链表头部（表示最近使用）。
- 当插入新数据时，如果缓存容量已满，将链表尾部的节点删除（表示移除最少使用的节点）。

时间复杂度:O(1)
空间复杂度:O(n)

代码

class LRUCache {
    // 双向链表的节点类，包含键、值，以及前驱和后继节点的引用
    private static class Node {
        int key;
        int value;
        Node prev;
        Node next;

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

    // 缓存的容量
    private final Integer capacity;
    // 哈希表，用于存储键值对和对应的链表节点
    private final Map<Integer, Node> map;
    // 虚拟头节点和尾节点，用于方便地处理链表的边界情况
    private final Node head;
    private final Node tail;

    // 初始化LRU缓存，并设置容量
    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        map = new HashMap<>();
        // 初始化虚拟头节点和尾节点，目的是避免在链表操作时处理特殊情况
        head = new Node(0, 0);
        tail = new Node(0, 0);
        // 将头尾节点连接
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }

    // 获取键对应的值，如果键存在，则将对应节点移动到链表头部
    public int get(int key) {
        if (map.containsKey(key)) {
            Node node = map.get(key);
            deleteNode(node);
            insertNode(node);
            return node.value;
        } else {
            return -1;
        }
    }

    // 向缓存中添加键值对
    public void put(int key, int value) {
        // 如果该键存在，则更新节点的值
        if (map.containsKey(key)) {
            Node node = map.get(key);
            deleteNode(node);
        }
        // 如果超出了缓存容量，删除最久未使用的节点（链表尾部的节点）
        if (map.size() == this.capacity) {
            deleteNode(tail.prev);
        }
        insertNode(new Node(key, value));
    }

    // 删除链表和map中的这个节点
    private void deleteNode(Node node) {
        map.remove(node.key);
        node.prev.next = node.next;
        node.next.prev = node.prev;
    }

    // 将节点添加到链表头部和map中
    private void insertNode(Node node) {
        map.put(node.key, node);
        node.next = head.next;
        node.prev = head;
        head.next.prev = node;
        head.next = node;
    }
}