LRU缓存（哈希+双链表）

题目描述

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。

样例输入

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 <= 105
• 最多调用 2 * 105 次 get 和 put

题解

• 使用双链表模拟缓存。链表头部作为缓存入口（插入节点），用于保存最近刚被访问的页面；链表尾部作为缓存出口（删除节点），用于删除最近最久没有被访问的页面
• 为了便于链表节点的查找，需要定义一个哈希表，用于保存key和对应节点的关系

• get函数用于模拟cpu对缓存的访问，也就是对内存页的访问。
  • 由LRU算法原理可知，每访问一次缓存，如果能够命中该页面，则说明该页面刚刚被访问过，因此需要将该节点（页面）移动到链表头部
• put函数用于模拟向缓冲中插入页面。
  • 每次向缓存中插入页面时，都需要首先检查该页面是否在缓存中
  • 如果不在则直接将该页面插入到链表头部（因为该页面刚刚被访问过），同时判断此时缓冲中的大小是否已经超过容量，如果超过则需要从缓存中删除该节点（页面）
  • 如果页面在缓存中，则直接将该页面放入链表头部

struct DLinkNode
{
    int _key,_val;
    struct DLinkNode* prev,*next;
};

class LRUCache {
private:
    unordered_map<int,DLinkNode*> _mp;
    DLinkNode* head,*tail;
    int _size;
    int _capacity;

public:
    LRUCache(int capacity):_capacity(capacity),_size(0) {
        head=new DLinkNode(0);
        tail=new DLinkNode(0);
        head->next=tail;
        tail->prev=head;
    }
    
    int get(int key) {
        auto it=_mp.find(key);
        if(it==_mp.end())
        {
            return -1;
        }else{
            moveHead(it->second);
            return it->second->_val;
        }
    }
    
    void put(int key, int value) {
        auto it=_mp.find(key);
        if(it==_mp.end())
        {
            DLinkNode* e=new DLinkNode(key,value);
            addHead(e);
            _size++;
            _mp[key]=e;
            if(_size>_capacity)
            {
                DLinkNode* tmp=tail->prev;
                removeNode(tmp);
                _mp.erase(tmp->_key);
                delete tmp;
                _size--;
            }
        }else{
            it->second->_val=value;
            moveHead(it->second);
        }
    }

    void removeNode(DLinkNode* node)
    {
        node->prev->next=node->next;
        node->next->prev=node->prev;
    }

    void addHead(DLinkNode* node)
    {
        node->prev=head;
        node->next=head->next;
        head->next->prev=node;
        head->next=node;
    }

    void moveHead(DLinkNode* node)
    {
        removeNode(node);
        addHead(node);
    }
};

/**
 * 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);
 */