【7.3】146. LRU缓存机制

方法：哈希表+双向链表

• 关键字：key，value对
• 模式识别：一旦出现键值对，就要想到哈希表
• 改变数据的访问时间：1 需要能够随机访问，2 需要能把该数据插到头部或者尾部

测试：

• 测试插入，包括溢出情况
• 测试更新，检查是否正确更新
• 测试读取，检测能否正确读取

hashmap+双向链表，复杂度分析：

• 时间复杂度：O1，哈希表定位O1，链表操作O1
• 空间复杂度：Oc

代码：

struct DLinkedNode {
    
    int key, value;
    DLinkedNode* prev;
    DLinkedNode* next;
    DLinkedNode(): key(0), value(0), prev(nullptr), next(nullptr) {
    }
    DLinkedNode(int _key, int _value): key(_key), value(_value), prev(nullptr), next(nullptr) {
    }
};

class LRUCache {
    
private:
    unordered_map<int, DLinkedNode*> cache;
    DLinkedNode* head;
    DLinkedNode* tail;
    int size;
    int capacity;

public:
    LRUCache(int _capacity): capacity(_capacity), size(0) {
     在初始化代码中的数据结构同时，初始化capacity和size两个参数
        // 使用伪头部和伪尾部节点
        head = new DLinkedNode(); 创建头部节点
        tail = new DLinkedNode(); 创建尾部节点
        head->next = tail; 头部-》尾部
        tail->prev = head; 头部《-尾部
    }
    
    int get(int key) {
    
        if (!cache.count(key)) {
     如果没有则返回-1
            return -1;
        }
        // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再移到头部
        DLinkedNode* node = cache[key]; 通过哈希表定位再对节点进行操作
        moveToHead(node); 这里将头部表示为最经常使用的元素
        return node->value;
    }
    
    void put(int key, int value) {
    
        if (!cache.count(key)) {
    
            // 如果 key 不存在，创建一个新的节点
            DLinkedNode* node = new DLinkedNode(key, value);
            // 添加进哈希表
            cache[key] = node;
            // 添加至双向链表的头部
            addToHead(node);
            ++size;
            if (size > capacity) {
    
                // 如果超出容量，删除双向链表的尾部节点
                DLinkedNode* removed = removeTail();
                // 删除哈希表中对应的项
                cache.erase(removed->key);
                // 防止内存泄漏
                delete removed;
                --size;
            }
        }
        else {
    
            // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再修改 value，并移到头部
            DLinkedNode* node = cache[key];
            node->value = value;
            moveToHead(node);
        }
    }

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

    void moveToHead(DLinkedNode* node) {
    
        removeNode(node);
        addToHead(node);
    }

    DLinkedNode* removeTail() {
     这里将最近没用过的节点提取出来，不会影响在哈希表中删除他的操作，因为他并没有消失
        DLinkedNode* node = tail->prev;
        removeNode(node);
        return node;
    }
};