【中等】146. LRU 缓存

struct DLinkedNode

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) {}
};

图2-13 带表头结点的双向循环链表

双向链表的结点结构

typeded struct dnode{
  T Element;
  struct dnode* RLink,* LLink;//结点的前驱结点地址保存在LLink域中
}Dnode;

void addToHead

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

图2-14 在指定的结点之前插入一个新结点

插入操作的核心步骤

q-> LLink = p -> LLink;
q-> RLink = p;
p-> LLink -> RLink = q;
p-> LLink = q;

void removeNode

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

图2-15 删除指定结点

删除操作的核心步骤

p-> LLink -> RLink= p -> RLink;
p-> RLink -> LLink = q -> LLink;
free(p);

146. LRU 缓存

https://leetcode-cn.com/problems/lru-cache/

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。

class LRUCache {
public:
    LRUCache(int capacity) {

    }
    
    int get(int key) {

    }
    
    void put(int key, int value) {

    }
};

/**
 * Your LRUCache object will be instantiated and called as such:
 * LRUCache* obj = new LRUCache(capacity);
 * int param_1 = obj->get(key);
 * obj->put(key,value);
 */

哈希表 双向链表

//LRU 缓存机制可以通过哈希表辅以双向链表实现，我们用一个哈希表和一个双向链表维护所有在缓存中的键值对。

//双向链表按照被使用的顺序存储了这些键值对，靠近头部的键值对是最近使用的，而靠近尾部的键值对是最久未使用的。

//哈希表即为普通的哈希映射（HashMap），通过缓存数据的键映射到其在双向链表中的位置。

//这样以来，我们首先使用哈希表进行定位，找出缓存项在双向链表中的位置，随后将其移动到双向链表的头部，即可在O(1) 的时间内完成 get 或者 put 操作。
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) {//在双向链表的实现中，
        // 使用伪头部和伪尾部节点
        head = new DLinkedNode();//使用一个伪头部（dummy head）
        tail = new DLinkedNode();//和伪尾部（dummy tail）标记界限，
        head->next = tail;
        tail->prev = head;
    }
    
    int get(int key) {//对于 get 操作，
        if (!cache.count(key)) {//首先判断 key 是否存在：
            return -1;//如果 key 不存在，则返回 −1；
        }
        // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再移到头部
        DLinkedNode* node = cache[key];//如果 key 存在，则 key 对应的节点是最近被使用的节点。通过哈希表定位到该节点在双向链表中的位置，
        moveToHead(node);//并将其移动到双向链表的头部，
        return node->value;//最后返回该节点的值。
    }
    
    void put(int key, int value) {//对于 put 操作，
        if (!cache.count(key)) {//首先判断 key 是否存在：
            // 如果 key 不存在，创建一个新的节点
            DLinkedNode* node = new DLinkedNode(key, value);//如果 key 不存在，使用 key 和 value 创建一个新的节点，
            // 添加进哈希表
            cache[key] = node;//并将 key 和该节点添加进哈希表中。
            // 添加至双向链表的头部
            addToHead(node);//在双向链表的头部添加该节点，
            ++size;
            if (size > capacity) {//然后判断双向链表的节点数是否超出容量，
                // 如果超出容量，删除双向链表的尾部节点
                DLinkedNode* removed = removeTail();//如果超出容量，则删除双向链表的尾部节点，
                // 删除哈希表中对应的项
                cache.erase(removed->key);//并删除哈希表中对应的项；
                // 防止内存泄漏
                delete removed;
                --size;
            }
        }
        else {//如果 key 存在，则与 get 操作类似，
            // 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];//先通过哈希表定位，
            node->value = value;//再将对应的节点的值更新为 value，
            moveToHead(node);//并将该节点移到双向链表的头部。
        }
    }

    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() {
        DLinkedNode* node = tail->prev;
        removeNode(node);
        return node;
    }
};