精选力扣500题第2题 LeetCode 146. LRU 缓存机制【c++详细题解】

叁歲伎倆 2021-07-24 13:34 385阅读 0赞

### 目录 ###

*   *   *  1、题目
         *  2、思路
         *  3、代码

### 1、题目 ###

运用你所掌握的数据结构，设计和实现一个 LRU (最近最少使用) 缓存机制 。  
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)`如果关键字已经存在，则变更其数据值；如果关键字不存在，则插入该组「关键字-值」。当缓存容量达到上限时，它应该在写入新数据之前删除最久未使用的数据值，从而为新的数据值留出空间。

进阶：你是否可以在 `O(1)` 时间复杂度内完成这两种操作？

**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 <= 3000
 *  0 <= value <= 104
 *  最多调用 3 \* 104 次 get 和 put

### 2、思路 ###

**(双链表+哈希)**  O ( 1 ) O(1) O(1)

**使用一个双链表和一个哈希表：**

*  双链表存储一个节点被使用（get或者put）的时间戳，且按最近使用时间从左到右排好序，最先被使用的节点放在双链表的第一位，因此双链表的最后一位就是最久未被使用的节点；
 *  哈希表存储`key`对应的链表中的节点地址,用于`key-value` 的增删改查；

**初始化：**

*  `n` 是缓存大小；
 *  双链表和哈希表都为空；

**get(key)：**

首先用哈希表判断`key`是否存在：

*  如果`key`不存在，则返回-1；
 *  如果`key`存在，则返回对应的`value`，同时将`key`对应的节点放到双链表的最左侧；

**put(key, value)：**

首先用哈希表判断`key`是否存在：

*  如果`key`存在，则修改对应的`value`，同时将`key`对应的节点放到双链表的最左侧；
 *  如果`key`不存在：
    
     *  如果缓存已满，则删除双链表最右侧的节点（上次使用时间最老的节点），更新哈希表；
     *  否则，插入`(key, value)`：同时将`key`对应的节点放到双链表的最左侧，更新哈希表；

**时间复杂度分析**：双链表和哈希表的增删改查操作的时间复杂度都是  O ( 1 ) O(1) O(1)，所以`get`和`put`操作的时间复杂度也都是  O ( 1 ) O(1) O(1)。

**对应的双链表的几种操作**

1、删除p节点

![image-20210517204801265][]

p->right->left = p->left;
     p->left->right = p->right;

2、在L节点之后插入p节点

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTYyOTI4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

p->right = L->right;
    p->left = L;
    L->right->left = p;
    L->right = p;

### 3、代码 ###

class LRUCache { 
    public:
    
        //定义双链表
        struct Node{ 
            int key,value;
            Node* left ,*right;
            Node(int _key,int _value): key(_key),value(_value),left(NULL),right(NULL){ }
        }*L,*R;//双链表的最左和最右节点，不存贮值。
        int n;
        unordered_map<int,Node*>hash;
    
        void remove(Node* p)
        { 
            p->right->left = p->left;
            p->left->right = p->right;
        }
        void insert(Node *p)
        { 
            p->right = L->right;
            p->left = L;
            L->right->left = p;
            L->right = p;
        }
        LRUCache(int capacity) { 
            n = capacity;
            L = new Node(-1,-1),R = new Node(-1,-1);
            L->right = R;
            R->left = L;    
        }
        
        int get(int key) { 
            if(hash.count(key) == 0) return -1; //不存在关键字 key 
            auto p = hash[key];
            remove(p);
            insert(p);//将当前节点放在双链表的第一位
            return p->value;
        }
        
        void put(int key, int value) { 
            if(hash.count(key)) //如果key存在，则修改对应的value
            { 
                auto p = hash[key];
                p->value = value;
                remove(p);
                insert(p);
            }
            else 
            { 
                if(hash.size() == n) //如果缓存已满，则删除双链表最右侧的节点
                { 
                    auto  p = R->left;
                    remove(p);
                    hash.erase(p->key); //更新哈希表
                    delete p; //释放内存
                }
                //否则，插入(key, value)
                auto p = new Node(key,value);
                hash[key] = p;
                insert(p);
            }
        }
    };
    
    /** * 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); */

**原题链接：**[146. LRU 缓存机制][146. LRU]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTYyOTI4NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

[image-20210517204801265]: /images/20210724/4081820eb85c40bbabb732217eedb5ee.png
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[146. LRU]: https://leetcode-cn.com/problems/lru-cache/
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