460. LFU 缓存

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前言

请你为 最不经常使用（LFU）缓存算法设计并实现数据结构。

实现 LFUCache 类：

LFUCache(int capacity) - 用数据结构的容量 capacity 初始化对象
int get(int key) - 如果键 key 存在于缓存中，则获取键的值，否则返回 -1 。
void put(int key, int value) - 如果键 key 已存在，则变更其值；如果键不存在，请插入键值对。当缓存达到其容量 capacity 时，则应该在插入新项之前，移除最不经常使用的项。在此问题中，当存在平局（即两个或更多个键具有相同使用频率）时，应该去除 最近最久未使用 的键。
为了确定最不常使用的键，可以为缓存中的每个键维护一个 使用计数器 。使用计数最小的键是最久未使用的键。

当一个键首次插入到缓存中时，它的使用计数器被设置为 1 (由于 put 操作)。对缓存中的键执行 get 或 put 操作，使用计数器的值将会递增。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

来源：力扣（LeetCode）
链接：https://leetcode.cn/problems/lfu-cache
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解题思路

LFU词频是第一的权限，词频一样的删除时间较早的那个
当Cache满的时候,新数据进去时,删除策略:
如果词频最小的只有一条, 删除即可
如果词频最小的有多条,删除距离你操作最远的记录
删除的元素一旦出了结构,下次再进入结构,次数重新开始计算没有历史累加
C出了结构,下次再进重新计算词频

节点放到了哪个桶里
Node:双向链表结构, last, next指针
词频桶:每一个词频一个桶，二维双向链表结构,有一个头， 有一个尾,
桶内部的指针:双向链表连接,桶与桶之间也是双向链表连接
二维桶结构,支持动态添加删除，当桶里没有数据时需要删除
有一张Map表: Key跟Node对应的, (Key, Node)
Map表:某一个节 点在哪个桶里的对应表，(Node,桶的内存地址)
当一个节点从一个桶里分离出来时要看有没有下一个桶,如果没有下一个桶,需要新建
或者下一个桶的词频不是当前桶词频+1,也需要新建
每次调整都是0(1),因为没有遍历
当Cache容量满了，新数据加入时,删除最头部的桶的最上面的一-条记录
数据结构实现描述:
首先所有的桶是一个双向链表，有一个头桶, 一个尾桶
其次,一个桶的内部有一个头点 一个尾点 任何一个节点(包括头,尾点)从桶里分离出来时,需要保证这个小桶里面头和尾的指针要指对,如果数据分离后，当前桶如果没有数据需要删除
而且当前桶被删除后，整个桶序列的头指针跟尾指针也需要调整正确

代码

public class LFUCache {
    

	public LFUCache(int K) {
    
		capacity = K;
		size = 0;
		records = new HashMap<>();
		heads = new HashMap<>();
		headList = null;
	}

	private int capacity; // 缓存的大小限制，即K
	private int size; // 缓存目前有多少个节点
	private HashMap<Integer, Node> records;// 表示key(Integer)由哪个节点(Node)代表
	private HashMap<Node, NodeList> heads; // 表示节点(Node)在哪个桶(NodeList)里
	private NodeList headList; // 整个结构中位于最左的桶

	// 节点的数据结构
	public static class Node {
    
		public Integer key;
		public Integer value;
		public Integer times; // 这个节点发生get或者set的次数总和
		public Node up; // 节点之间是双向链表所以有上一个节点
		public Node down;// 节点之间是双向链表所以有下一个节点

		public Node(int k, int v, int t) {
    
			key = k;
			value = v;
			times = t;
		}
	}

	// 桶结构
	public static class NodeList {
    
		public Node head; // 桶的头节点
		public Node tail; // 桶的尾节点
		public NodeList last; // 桶之间是双向链表所以有前一个桶
		public NodeList next; // 桶之间是双向链表所以有后一个桶

		public NodeList(Node node) {
    
			head = node;
			tail = node;
		}

		// 把一个新的节点加入这个桶，新的节点都放在顶端变成新的头部
		public void addNodeFromHead(Node newHead) {
    
			newHead.down = head;
			head.up = newHead;
			head = newHead;
		}

		// 判断这个桶是不是空的
		public boolean isEmpty() {
    
			return head == null;
		}

		// 删除node节点并保证node的上下环境重新连接
		public void deleteNode(Node node) {
    
			if (head == tail) {
    
				head = null;
				tail = null;
			} else {
    
				if (node == head) {
    
					head = node.down;
					head.up = null;
				} else if (node == tail) {
    
					tail = node.up;
					tail.down = null;
				} else {
    
					node.up.down = node.down;
					node.down.up = node.up;
				}
			}
			node.up = null;
			node.down = null;
		}
	}

	// removeNodeList：刚刚减少了一个节点的桶
	// 这个函数的功能是，判断刚刚减少了一个节点的桶是不是已经空了。
	// 1）如果不空，什么也不做
	//
	// 2)如果空了，removeNodeList还是整个缓存结构最左的桶(headList)。
	// 删掉这个桶的同时也要让最左的桶变成removeNodeList的下一个。
	//
	// 3)如果空了，removeNodeList不是整个缓存结构最左的桶(headList)。
	// 把这个桶删除，并保证上一个的桶和下一个桶之间还是双向链表的连接方式
	//
	// 函数的返回值表示刚刚减少了一个节点的桶是不是已经空了，空了返回true；不空返回false
	private boolean modifyHeadList(NodeList removeNodeList) {
    
		if (removeNodeList.isEmpty()) {
    
			if (headList == removeNodeList) {
    
				headList = removeNodeList.next;
				if (headList != null) {
    
					headList.last = null;
				}
			} else {
    
				removeNodeList.last.next = removeNodeList.next;
				if (removeNodeList.next != null) {
    
					removeNodeList.next.last = removeNodeList.last;
				}
			}
			return true;
		}
		return false;
	}

	// 函数的功能
	// node这个节点的次数+1了，这个节点原来在oldNodeList里。
	// 把node从oldNodeList删掉，然后放到次数+1的桶中
	// 整个过程既要保证桶之间仍然是双向链表，也要保证节点之间仍然是双向链表
	private void move(Node node, NodeList oldNodeList) {
    
		oldNodeList.deleteNode(node);
		// preList表示次数+1的桶的前一个桶是谁
		// 如果oldNodeList删掉node之后还有节点，oldNodeList就是次数+1的桶的前一个桶
		// 如果oldNodeList删掉node之后空了，oldNodeList是需要删除的，所以次数+1的桶的前一个桶，是oldNodeList的前一个
		NodeList preList = modifyHeadList(oldNodeList) ? oldNodeList.last : oldNodeList;
		// nextList表示次数+1的桶的后一个桶是谁
		NodeList nextList = oldNodeList.next;
		if (nextList == null) {
    
			NodeList newList = new NodeList(node);
			if (preList != null) {
    
				preList.next = newList;
			}
			newList.last = preList;
			if (headList == null) {
    
				headList = newList;
			}
			heads.put(node, newList);
		} else {
    
			if (nextList.head.times.equals(node.times)) {
    
				nextList.addNodeFromHead(node);
				heads.put(node, nextList);
			} else {
    
				NodeList newList = new NodeList(node);
				if (preList != null) {
    
					preList.next = newList;
				}
				newList.last = preList;
				newList.next = nextList;
				nextList.last = newList;
				if (headList == nextList) {
    
					headList = newList;
				}
				heads.put(node, newList);
			}
		}
	}

	public void put(int key, int value) {
    
		if (capacity == 0) {
    
			return;
		}
		if (records.containsKey(key)) {
    
			Node node = records.get(key);
			node.value = value;
			node.times++;
			NodeList curNodeList = heads.get(node);
			move(node, curNodeList);
		} else {
    
			if (size == capacity) {
    
				Node node = headList.tail;
				headList.deleteNode(node);
				modifyHeadList(headList);
				records.remove(node.key);
				heads.remove(node);
				size--;
			}
			Node node = new Node(key, value, 1);
			if (headList == null) {
    
				headList = new NodeList(node);
			} else {
    
				if (headList.head.times.equals(node.times)) {
    
					headList.addNodeFromHead(node);
				} else {
    
					NodeList newList = new NodeList(node);
					newList.next = headList;
					headList.last = newList;
					headList = newList;
				}
			}
			records.put(key, node);
			heads.put(node, headList);
			size++;
		}
	}

	public int get(int key) {
    
		if (!records.containsKey(key)) {
    
			return -1;
		}
		Node node = records.get(key);
		node.times++;
		NodeList curNodeList = heads.get(node);
		move(node, curNodeList);
		return node.value;
	}

}