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题目描述
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。
样例1：
输入
["LFUCache", "put", "put", "get", "put", "get", "get", "put", "get", "get", "get"]
[[2], [1, 1], [2, 2], [1], [3, 3], [2], [3], [4, 4], [1], [3], [4]]
输出
[null, null, null, 1, null, -1, 3, null, -1, 3, 4]
// cnt(x) = 键 x 的使用计数// cache=[] 将显示最后一次使用的顺序（最左边的元素是最近的）
LFUCache lfu = new LFUCache(2);
lfu.put(1, 1); // cache=[1,_], cnt(1)=1
lfu.put(2, 2); // cache=[2,1], cnt(2)=1, cnt(1)=1
lfu.get(1); // 返回 1
// cache=[1,2], cnt(2)=1, cnt(1)=2
lfu.put(3, 3); // 去除键 2 ，因为 cnt(2)=1 ，使用计数最小
// cache=[3,1], cnt(3)=1, cnt(1)=2
lfu.get(2); // 返回 -1（未找到）
lfu.get(3); // 返回 3
// cache=[3,1], cnt(3)=2, cnt(1)=2
lfu.put(4, 4); // 去除键 1 ，1 和 3 的 cnt 相同，但 1 最久未使用
// cache=[4,3], cnt(4)=1, cnt(3)=2
lfu.get(1); // 返回 -1（未找到）
lfu.get(3); // 返回 3
// cache=[3,4], cnt(4)=1, cnt(3)=3
lfu.get(4); // 返回 4
// cache=[3,4], cnt(4)=2, cnt(3)=3
Tag
双向链表 set 哈希映射
题目分析
这题是LeetCode 146. LRU 缓存-CSDN博客的升级版，加入了使用次数判断，如果只用一个双向链表的话无法满足需求，需要根据使用频率cnt来维护多个双向链表。
思路
数据结构：
1.链表节点
记录value值，有指向前节点和后节点的指针
2.双向链表
有链表头尾节点，借助头结点可以将新加入的节点O(1)复杂度加入队首，借助尾节点可以O(1)复杂度去除最久未使用的节点（即尾节点prev指向的节点）。
用哈希表unordered_map<int,node*>mp维护关键字到链表节点地址的映射，确保可以在O(1)复杂度时间根据关键字找到节点
3.LFUCache类
哈希表list_ptr维护多条双向链表，根据关键字使用频率找到所存储的链表位置，并进行相应操作
哈希表cnt记录关键字出现的次数
红黑树min_cnt记录当前存在的频率最低的关键字有哪些（即找到cnt最低的那条双向链表）
实现方法
1.get查询
找到了将关键字所在节点node从当前频率的链表中删掉，放到当前频率+1的链表首部，同时更新cnt修改关键字出现的次数，若当前频率+1还有链表需要申请并用list_ptr记录
2.put操作
修改频率和get一样，不同的是需要判断是否找过缓存，如果超过根据min_cnt先找到频率最低的那条链表，再删掉链表的尾节点，同时注意更新min_cnt、cnt和list_ptr
3.注意
删除节点后需要判断链表是否为空，若为空则需要删除这条链表，并且删掉min_cnt中的记录和list_ptr中记录当前链表的地址
C++代码
cpp
class node{
public:
node *prev,*next;
int key;
int value;
node(node *prev,node *next,int key,int value)
{
this->key = key;
this->value = value;
this->prev = prev;
this->next = next;
}
};
class DoublyLinkedList{
public:
node *head,*tail;
unordered_map<int,node*> mp;//key:关键字 value:存储链表中某个节点地址
DoublyLinkedList()
{
head = new node(nullptr,nullptr,0,0);
tail = new node(head,nullptr,0,0);
head->next = tail;
}
//将node移动到队首
void adjust(node* temp)
{
temp->next = head->next;
temp->prev = head;
head->next = temp;
temp->next->prev = temp;
}
//删除节点
void remove(node *move){
move->prev->next = move->next;
move->next->prev = move->prev;
}
//删除尾节点
int remove_tail(){
node* del = tail->prev;
int key = del->key;
tail->prev = del->prev;
del->prev->next = tail;
mp.erase(key);
return key;
}
};
class LFUCache {
public:
int capacity;
int now;
unordered_map<int,DoublyLinkedList*> list_ptr;//key:使用次数 value:双向链表地址
unordered_map<int,int>cnt;//key:关键字 value:出现次数
set<int>min_cnt;//查找出现次数最少的
LFUCache(int capacity) {
this->capacity = capacity;
now = 0;
}
int get(int key) {
if(cnt.count(key)){
int count = cnt[key];//关键字查询前出现次数
cnt[key]++;//查询后访问次数+1
DoublyLinkedList *list = list_ptr[count];
//cout<<"size:"<<min_cnt.size()<<endl;
int value = list->mp[key]->value;//查询到的值
//从count中删除尾节点
node* move = list->mp[key];
list->remove(move);
if(list->head->next == list->tail){//删空了
list_ptr.erase(count);
min_cnt.erase(count);
}
//加入count+1中的队首
if(list_ptr.count(count+1)){
DoublyLinkedList *newlist = list_ptr[count+1];
newlist->adjust(move);
newlist->mp[key] = move;
}else{
DoublyLinkedList* newlist = new DoublyLinkedList();
list_ptr[count+1] = newlist;
newlist->adjust(move);
newlist->mp[key] = move;
min_cnt.insert(count+1);
}
return value;
}
return -1;
}
void put(int key, int value) {
if(cnt.count(key)){
int count = cnt[key];//关键字查询前出现次数
cnt[key]++;//put后访问次数+1
DoublyLinkedList *list = list_ptr[count];
list->mp[key]->value = value;//改值
//从count中删除尾节点
node* move = list->mp[key];
list->remove(move);
if(list->head->next == list->tail){//删空了
list_ptr.erase(count);
min_cnt.erase(count);
}
//加入count+1中的队首
if(list_ptr.count(count+1)){
DoublyLinkedList *list = list_ptr[count+1];
list->adjust(move);
list->mp[key] = move;
}else{
DoublyLinkedList* newlist = new DoublyLinkedList();
list_ptr[count+1] = newlist;
newlist->adjust(move);
newlist->mp[key] = move;
min_cnt.insert(count+1);
}
}else{//加入count = 1的队首
if(now+1>capacity){//若超缓存则删除
now--;
int x = *min_cnt.begin();
DoublyLinkedList *list = list_ptr[x];//出现次数最少的那条链表
int toRemoveKey = list->remove_tail();
cnt.erase(toRemoveKey);//key不在缓存中了,出现次数置0
if(list->head->next == list->tail){
min_cnt.erase(x);
list_ptr.erase(x);
}
}
node* newnode = new node(nullptr,nullptr,key,value);
if(list_ptr.count(1)){
DoublyLinkedList *list = list_ptr[1];
list->adjust(newnode);
list->mp[key] = newnode;
}else{
DoublyLinkedList* newlist = new DoublyLinkedList();
newlist->adjust(newnode);
newlist->mp[key] = newnode;
list_ptr[1] = newlist;
min_cnt.insert(1);
}
cnt[key] = 1;
now++;
}
}
};