【力扣刷题】146.LRU缓存——哈希表+双向链表

小咪咪 2023-09-28 14:41 134阅读 0赞

#### 题目 ####

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 ####

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

#### 解题思路 ####

因为题目说get和put都必须要时间复杂度为O（1）

需要实现：

①我们要在cache中快速找到某个key是否存在并得到对应的value

②每次访问cache中的某个key，需要得到这个元素变为最近使用的，也就是cache要支持在任意位置快速插入插入和删除

所以想到用哈希表存<key,Node>以及双向链表来实现：

①每次从链表尾部加入元素，越靠近尾部的元素就是最近使用的，越靠近头部的就是最近久未使用的。

②对于某一个key，通过哈希表快速定位到链表中的节点，从而获取它的value

③支持在链表的任意节点快速插入和删除！双向！很快

#### 代码 ####

class LRUCache {
        //用一个哈希表<key,Node>和一个双向链表来实现缓存LRU
        int capacity;
        HashMap<Integer,Node> map;
        DoubleList dlist;
    
        public LRUCache(int capacity) {
            this.capacity = capacity;
            map = new HashMap<>();
            dlist = new DoubleList();
        }
        
        //如果存在，返回该关键字的值，将该节点移动到链表尾部
        //否则返回-1
        public int get(int key) {
            if(map.containsKey(key)){
                Node x = map.get(key);
                dlist.remove(x);
                dlist.addLast(x);
                return x.value;
            }
            return -1;
        }
        
        //如果存在，则直接更新关键字的value，将节点移动到链表尾部
        //不存在，判断size和capacity的大小
        //小于，直接插入到尾部
        //大于，删除第一个节点，插入到尾部
        public void put(int key, int value) {
            if(map.containsKey(key)){
                Node x = map.get(key);
                x.value = value;
                dlist.remove(x);
                dlist.addLast(x);
            }else{
                Node x = new Node(key,value);
                if(dlist.size() < capacity){
                    dlist.addLast(x);
                }else{
                    Node first = dlist.removeFirst();
                    map.remove(first.key);
                    dlist.addLast(x);
                }
                map.put(key,x);
            }
        }
    }
    
    //链表节点
    class Node{
        int key,value;
        Node pre,next;
        public Node(int key,int value){
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
    }
    //双向链表
    class DoubleList{
        //头节点，尾结点  虚节点
        Node head,tail;
        //链表大小
        private int size;
        public DoubleList(){
            head = new Node(0,0);
            tail = new Node(0,0);
            head.next = tail;
            tail.pre = head;
            size = 0;
        }
    
        //在链表尾部添加节点,时间是O（1）
        public void addLast(Node x){
            x.pre = tail.pre;
            x.next = tail;
            tail.pre.next = x;
            tail.pre = x;
            size++;
        }
    
        //删除链表中的节点x，双向链表，给定x，删除的时间复杂度为O（1）
        public void remove(Node x){
            x.pre.next = x.next;
            x.next.pre = x.pre;
            size--;
        }
    
        //删除链表的第一个节点，O（1），返回该节点
        public Node removeFirst(){
            if(head.next == tail) return null;
            Node first = head.next;
            remove(first);
            return first;
        }
    
        //链表长度
        public int size(){
            return size;
        }
    
    }
    
    /**
     * 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);
     */