力扣146题：LRU缓存

力扣146题：LRU缓存

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。

输入输出样例

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

解法一，自定义双链表

//自定义双链表
struct DLinkedNode{
    //存放键值
    int key;
    int value;

    //定义头指针和尾指针
    DLinkedNode *prev;
    DLinkedNode *next;

    //定义初始化函数 
    DLinkedNode():key(0),value(0),prev(nullptr),next(nullptr){}
    DLinkedNode(int keys,int values):key(keys),value(values),prev(nullptr),next(nullptr){}

};


class LRUCache{

    //public 存函数
    //private 存放变量
private:
    //建立hash表，表中存放 键key 和结点 ，通过对键的查找可以查找到对应的结点
    unordered_map<int,DLinkedNode*>cache;
    //定义头节点和尾结点
    DLinkedNode *head;
    DLinkedNode *tail;
    int size;
    int capacity;

public:

//一旦需要 key 和 value 肯定是 hash表

//要求：1.需要能随机访问 2.能够把数据插入头部或尾部

//使用hash表跟双向链表维护所有在缓冲中的键值对
//双向链表，按照顺序存储键值对，头部是最近使用，尾部是最久未使用
//哈希表，缓存数据键映射到链表中的位置
//构造函数
//初始化变量
    LRUCache(int capa)
    {
        capacity=capa;
        size=0;
        //构建双链表结点的头指针和尾指针的指向关系
        head=new DLinkedNode();
        tail=new DLinkedNode();

        head->next=tail;
        tail->prev=head;
    }

//显示数据
//首先判断数据是否存在，通过hash查找结点在双向链表中的位置，并移动到链表头部
    int get(int key)
    {
        //如果键key在hash表中不存在则返回-1
        if(!cache.count(key))
        {
            // cout<<-1<
            return -1;
        }
        //若键key存在，则通过hash表进行定位，并将其移动到hash表的头部
        DLinkedNode *node=cache[key];

        //将结点移动到头节点
        moveToHead(node);
        // cout<value<
        return node->value;

    }

//添加函数
//首先判断数据是否存在，若不存在，则新建一个结点，添加到双向链表中和哈希表中，并移动到首部  
//                     若存在，则先根据hash表进行定位，再将值更新为value，移动到链表的头部
    void put(int key,int value)
    {
        //如果hash表的key不存在，则创建一个新的结点
        if(!cache.count(key))
        {
            DLinkedNode *node=new DLinkedNode(key,value);
            //将其值添加到hash表
            cache[key]=node;
            //并将结点添加到双向链表的头部
            addToHead(node);
            ++size;
            //如果hash表中数据的大小大于容量，则删除双向链表的最末尾的结点
            if(size>capacity)
            {   
                DLinkedNode *removed=removeTail();
                //删除待删除的结点在hash表中对应的项
                cache.erase(removed->key);
                //删除结点 避免内存泄漏
                delete removed;
                --size;
            }

        }

        //如果key在hash表中存在，首先通过hash表的定位，再修改value，并且移动到头部
        else{
            DLinkedNode*node=cache[key];
            node->value=value;
            moveToHead(node);
        }

    }



//将结点从当前位置挪出去
    void removeNode(DLinkedNode *node)
    {
        node->prev->next=node->next;
        node->next->prev=node->prev;
    }

    void addToHead(DLinkedNode *node)
    {
        node->prev=head;
        node->next=head->next;

        head->next->prev=node;
        head->next=node;
    }

//删除双向链表的尾结点
    DLinkedNode * removeTail()
    {
        DLinkedNode *node=tail->prev;
        removeNode(node);
        return node;
    }

//首先需要将当前结点从当前位置移除出去
//在将当前结点添加到链表的头部
    void moveToHead(DLinkedNode *node)
    {
        removeNode(node);
        addToHead(node);
    }


};

解法二：使用链表的迭代器

//使用简便版本的LRUCache

class LRUCache2
{
    private:
        int capacity;
        list<pair<int,int>>cache;
        //定义hash表存储键和链表
        unordered_map<int,list<pair<int,int>>::iterator>map;

    public:
        LRUCache2(int cap)
        {
            capacity=cap;
        }

        int get(int key)
        {
            if(!map.count(key))
            {
                cout<<-1<<endl;
                return -1;
            }

            //key指向的结点
            auto key_value=*map[key];
            //找到指定的结点，删除当前结点，并将结点插入到链表的头部
            cache.erase(map[key]);
            cache.push_front(key_value);

            map[key]=cache.begin();
            //返回当前结点的值

            cout<<key_value.second<<endl;
            return key_value.second;
        }

        void put(int key,int value)
        {
            //如果hash表中不包含key 
            if(!map.count(key))
            {
                //hash中的长度刚好等于capacity长度
                //将最久的删除
                if(cache.size()==capacity)
                {
                    map.erase(cache.back().first);
                    cache.pop_back();
                }
            }
            //如果存在则将当前的结点先删除
            else{
                cache.erase(map[key]);
            }
            //插入头节点
            cache.push_front({key,value});
            map[key]=cache.begin();

        }
};