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146. LRU 缓存

news 来源：原创 2024/5/8 18:56:47

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

提示：

1 <= capacity <= 3000
0 <= key <= 10000
0 <= value <= 105
最多调用 2 * 105 次 get 和 put

LRU缓存是经典的内存管理机制，实现方法是使用哈希表和双向链表为基础，通过互相映射，实现O（1）的平均算法时间

实现代码如下：

// 增加一个头节点和尾节点方便处理
// 使用哈希表和双向链表来完成
// 哈希表 通过key 指向双向链表的存储value的节点
// 双向链表 存储value值，同时双向链表头部节点表示最新使用的，尾部节点表示最长时间没有使用的，如果摘除的话从尾部节点摘除，从头部节点插入struct Node {int value;int key;struct Node *next;struct Node *prev;
};typedef struct {struct Node *Hash[10010];struct Node *ListHead;struct Node *ListTail;int ListCount;int ListMaxCount;
} LRUCache;LRUCache* lRUCacheCreate(int capacity) {LRUCache *obj = (LRUCache*)malloc(sizeof(LRUCache));if (obj == NULL) {return obj;}int i;for (i = 0; i < 10010; i++) {obj->Hash[i] = NULL;}obj->ListCount = 0;obj->ListMaxCount = capacity;obj->ListHead = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));obj->ListTail = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));obj->ListHead->next = obj->ListTail;obj->ListHead->prev = NULL;obj->ListTail->prev = obj->ListHead;obj->ListTail->next = NULL;return obj;
}int lRUCacheGet(LRUCache* obj, int key) {// 判断元素是否存在，不存在直接返回-1， 如果存在，返回value，同时将node节点放到head位置if (obj->Hash[key] == NULL) {return -1;}struct Node *tmpNode = obj->Hash[key];// 先将节点摘除下来tmpNode->next->prev = tmpNode->prev;tmpNode->prev->next = tmpNode->next;// 将节点放到头结点后面tmpNode->next = obj->ListHead->next;obj->ListHead->next->prev = tmpNode;tmpNode->prev = obj->ListHead;obj->ListHead->next = tmpNode;return obj->Hash[key]->value;
}void lRUCachePut(LRUCache* obj, int key, int value) {// 首先判断元素是否存在if (obj->Hash[key] != NULL) {obj->Hash[key]->value = value;struct Node *tmpNode = obj->Hash[key];// 先将节点摘除下来tmpNode->next->prev = tmpNode->prev;tmpNode->prev->next = tmpNode->next;// 将节点放到头结点后面tmpNode->next = obj->ListHead->next;obj->ListHead->next->prev = tmpNode;tmpNode->prev = obj->ListHead;obj->ListHead->next = tmpNode;return;}//如果不存在，插入节点，如果超过最大数量，将链表尾部节点抛弃// 插入新节点插入到节点头struct Node *newNode = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));newNode->value = value;newNode->key = key;obj->Hash[key] = newNode;// 将节点放到头结点后面newNode->next = obj->ListHead->next;obj->ListHead->next->prev = newNode;newNode->prev = obj->ListHead;obj->ListHead->next = newNode;(obj->ListCount)++;if (obj->ListCount > obj->ListMaxCount) { //超过最大数量，将链表尾部节点抛弃struct Node *tmpNode = obj->ListTail->prev;tmpNode->prev->next = obj->ListTail;obj->ListTail->prev = tmpNode->prev;obj->Hash[tmpNode->key] = NULL;free(tmpNode);(obj->ListCount)--;}
}void lRUCacheFree(LRUCache* obj) {struct Node *tmpNode = NULL;while(obj->ListHead != NULL) {tmpNode = obj->ListHead;obj->ListHead = obj->ListHead->next;free(tmpNode);}free(obj);
}/*** Your LRUCache struct will be instantiated and called as such:* LRUCache* obj = lRUCacheCreate(capacity);* int param_1 = lRUCacheGet(obj, key);* lRUCachePut(obj, key, value);* lRUCacheFree(obj);
*/