LC 146. LRU 缓存机制

题目描述

这是 LeetCode 上的 146. LRU 缓存机制 ，难度为 中等。

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：

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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：

  • $1 <= capacity <= 3000$
  • $0 <= key <= 3000$
  • $0 <= value <= 10^4$
  • 最多调用 $3 * 10^4$ 次 get 和 put

基本分析

LRU 是一种十分常见的页面置换算法。

将 LRU 翻译成大白话就是：当不得不淘汰某些数据时（通常是容量已满），选择最久未被使用的数据进行淘汰。

题目让我们实现一个容量固定的 LRUCache 。如果插入数据时，发现容器已满时，则先按照 LRU 规则淘汰一个数据，再将新数据插入，其中「插入」和「查询」都算作一次“使用”。

可以通过 🌰 来理解，假设我们有容量为 $2$ 的 LRUCache 和 测试键值对 [1-1,2-2,3-3] ，将其按照顺序进行插入 & 查询：

  • 插入 1-1，此时最新的使用数据为 1-1
  • 插入 2-2，此时最新使用数据变为 2-2
  • 查询 1-1，此时最新使用数据为 1-1
  • 插入 3-3，由于容器已经达到容量，需要先淘汰已有数据才能插入，这时候会淘汰 2-2，3-3 成为最新使用数据

键值对存储方面，我们可以使用「哈希表」来确保插入和查询的复杂度为 $O(1)$。

另外我们还需要额外维护一个「使用顺序」序列。

我们期望当「新数据被插入」或「发生键值对查询」时，能够将当前键值对放到序列头部，这样当触发 LRU 淘汰时，只需要从序列尾部进行数据删除即可。

期望在 $O(1)$ 复杂度内调整某个节点在序列中的位置，很自然想到双向链表。

双向链表

具体的，我们使用哈希表来存储「键值对」，键值对的键作为哈希表的 Key，而哈希表的 Value 则使用我们自己封装的 Node 类，Node 同时作为双向链表的节点。

  • 插入：检查当前键值对是否已经存在于哈希表：

    • 如果存在，则更新键值对，并将当前键值对所对应的 Node 节点调整到链表头部（refresh 操作）

    • 如果不存在，则检查哈希表容量是否已经达到容量：

      • 没达到容量：插入哈希表，并将当前键值对所对应的 Node 节点调整到链表头部（refresh 操作）
      • 已达到容量：先从链表尾部找到待删除元素进行删除（delete 操作），然后再插入哈希表，并将当前键值对所对应的 Node 节点调整到链表头部（refresh 操作）

  • 查询：如果没在哈希表中找到该 Key，直接返回 $-1$；如果存在该 Key，则将对应的值返回，并将当前键值对所对应的 Node 节点调整到链表头部（refresh 操作）

一些细节： 为了减少双向链表左右节点的「判空」操作，我们预先建立两个「哨兵」节点 head 和 tail。

代码：

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class LRUCache {
    class Node {
        int k, v;
        Node l, r;
        Node(int _k, int _v) {
            k = _k;
            v = _v;
        }
    }
    int n;
    Node head, tail;
    Map<Integer, Node> map;
    public LRUCache(int capacity) {
        n = capacity;
        map = new HashMap<>();
        head = new Node(-1, -1);
        tail = new Node(-1, -1);
        head.r = tail;
        tail.l = head;
    }
    
    public int get(int key) {
        if (map.containsKey(key)) {
            Node node = map.get(key);
            refresh(node);
            return node.v;
        } 
        return -1;
    }
    
    public void put(int key, int value) {
        Node node = null;
        if (map.containsKey(key)) {
            node = map.get(key);
            node.v = value;
        } else {
            if (map.size() == n) {
                Node del = tail.l;
                map.remove(del.k);
                delete(del);
            }
            node = new Node(key, value);
            map.put(key, node);
        }
        refresh(node);
    }
	
    // refresh 操作分两步：
    // 1. 先将当前节点从双向链表中删除（如果该节点本身存在于双向链表中的话）
    // 2. 将当前节点添加到双向链表头部
    void refresh(Node node) {
        delete(node);
        node.r = head.r;
        node.l = head;
        head.r.l = node;
        head.r = node;
    }
	
    // delete 操作：将当前节点从双向链表中移除
    // 由于我们预先建立 head 和 tail 两位哨兵，因此如果 node.l 不为空，则代表了 node 本身存在于双向链表（不是新节点）
    void delete(Node node) {
        if (node.l != null) {
            Node left = node.l;
            left.r = node.r;
            node.r.l = left;
        }
    }
}

  • 时间复杂度：各操作均为 $O(1)$
  • 空间复杂度：$O(n)$

最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.146 篇，系列开始于 2021/01/01，截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目，部分是有锁题，我们将先把所有不带锁的题目刷完。

在这个系列文章里面，除了讲解解题思路以外，还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。

为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码，我建立了相关的仓库：https://github.com/SharingSource/LogicStack-LeetCode 。

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