146. LRU 缓存机制

题目#

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：

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 <= 104
最多调用 3 * 104 次 get 和 put

思路#

halfrost 有篇文章讲的就是 LRU 缓存机制，推荐阅读。

代码#

type LRUCache struct {
    Cap  int
    Size int
    // 为保证 O(1)，使用 map 保存节点地址
    Cache      map[int]*DLNode
    head, tail *DLNode
}

// 使用链表来实现
type DLNode struct {
    key, val  int
    pre, next *DLNode
}

func initNode(key, value int) *DLNode {
    return &DLNode{
        key: key,
        val: value,
    }
}

func Constructor(capacity int) LRUCache {
    l := LRUCache{
        Cap:   capacity,
        Size:  0,
        Cache: map[int]*DLNode{},
        head:  initNode(0, 0),
        tail:  initNode(0, 0),
    }

    // 头、尾用于下面的功能
    l.head.next = l.tail
    l.tail.pre = l.head

    return l
}

func (this *LRUCache) Get(key int) int {
    // 没有的话
    if _, ok := this.Cache[key]; !ok {
        return -1
    }

    // 有的话需要移动到头部
    node := this.Cache[key]
    this.moveToHead(node)

    return node.val
}

func (this *LRUCache) Put(key int, value int) {
    // 如果目前没有
    if _, ok := this.Cache[key]; !ok {
        // 新建节点，添加到头部
        node := initNode(key, value)
        this.Cache[key] = node
        this.addToHead(node)
        this.Size++

        // 检查一下容量
        if this.Size > this.Cap {
            t := this.removeTail()
            delete(this.Cache, t.key)
            this.Size--
        }
    } else {
        // 存在的话只需移动到头部
        node := this.Cache[key]
        node.val = value
        this.moveToHead(node)
    }
}

// 添加到头部
func (this *LRUCache) addToHead(node *DLNode) {
    node.pre = this.head
    node.next = this.head.next

    node.next.pre = node
    this.head.next = node
}

// 删除某节点
func (this *LRUCache) removeNode(node *DLNode) {
    node.pre.next = node.next
    node.next.pre = node.pre
}

// 移动到头部
func (this *LRUCache) moveToHead(node *DLNode) {
    this.removeNode(node)
    this.addToHead(node)
}

// 删除尾节点
func (this *LRUCache) removeTail() *DLNode {
    node := this.tail.pre
    this.removeNode(node)
    return node
}