BM100 设计LRU缓存结构

1.题目描述

设计LRU(最近最少使用)缓存结构，该结构在构造时确定大小，假设大小为 capacity ，操作次数是 n ，并有如下功能:

Solution(int capacity) 以正整数作为容量 capacity 初始化 LRU 缓存

get(key)：如果关键字 key 存在于缓存中，则返回key对应的value值，否则返回 -1 。

set(key, value)：将记录(key, value)插入该结构，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key-value的数量超过capacity，弹出最久未使用的key-value

提示:

1.某个key的set或get操作一旦发生，则认为这个key的记录成了最常使用的，然后都会刷新缓存。

2.当缓存的大小超过capacity时，移除最不经常使用的记录。

3.返回的value都以字符串形式表达，如果是set，则会输出"null"来表示(不需要用户返回，系统会自动输出)，方便观察

4.函数set和get必须以O(1)的方式运行

5.为了方便区分缓存里key与value，下面说明的缓存里key用""号包裹

数据范围:

1≤capacity<=1051≤capacity<=105

0≤key,val≤2×109 0≤key,val≤2×109

1≤n≤1051≤n≤105

示例1

输入：
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["set","set","get","set","get","set","get","get","get"],[[1,1],[2,2],[1],[3,3],[2],[4,4],[1],[3],[4]],2
返回值：
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["null","null","1","null","-1","null","-1","3","4"]
说明：
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我们将缓存看成一个队列，最后一个参数为2代表capacity，所以
Solution s = new Solution(2);
s.set(1,1); //将(1,1)插入缓存，缓存是{"1"=1}，set操作返回"null"
s.set(2,2); //将(2,2)插入缓存，缓存是{"2"=2，"1"=1}，set操作返回"null"
output=s.get(1);// 因为get(1)操作，缓存更新，缓存是{"1"=1，"2"=2}，get操作返回"1"
s.set(3,3); //将(3,3)插入缓存，缓存容量是2，故去掉某尾的key-value，缓存是{"3"=3，"1"=1}，set操作返回"null" 
output=s.get(2);// 因为get(2)操作，不存在对应的key，故get操作返回"-1"
s.set(4,4); //将(4,4)插入缓存，缓存容量是2，故去掉某尾的key-value，缓存是{"4"=4，"3"=3}，set操作返回"null" 
output=s.get(1);// 因为get(1)操作，不存在对应的key，故get操作返回"-1"
output=s.get(3);//因为get(3)操作，缓存更新，缓存是{"3"=3，"4"=4}，get操作返回"3"
output=s.get(4);//因为get(4)操作，缓存更新，缓存是{"4"=4，"3"=3}，get操作返回"4"

2.解题思路

本题最关键的是我们需要一个数据结构，能让本次get/set的元素调整到最新访问的位置，并且以O(1)的时间复杂度找到最近最少使用的结点。

可以通过hashMap+双向链表的数据结构实现这个功能，例如当前get(key)已经存在，我们就现在双向链表和map中都删除掉这个结点，然后再把这个结点加入到双向链表的表尾，表示最新访问过；如果put(key,val)中的key已经存在，也是需要先删除再重新加入，保证此次访问过后，这个结点就在最新访问的位置，如果Map中元素个数已经等于capacity，那就先删除最久未使用的那个结点，再加入新结点。

注：使用双向链表，只需要我们把要删除的结点当作形参传入，我们就可以以O(1)的复杂度找到它的前驱结点和后序结点，完成对该点的删除；同理，插入操作都是将结点插入到表尾，表示当前结点是最新被访问过的结点，也可以以O(1)的时间复杂度完成。

3.代码实现

java 复制代码

import java.util.*;

class Node {
    public int key;
    public int val;
    public Node pre;
    public Node next;

    public Node(int key, int val) {
        this.key = key;
        this.val = val;
    }
}


public class Solution {
    private Map<Integer, Node> map = new HashMap();
    private Node left = null;
    private Node right = null;
    private int capacity;
    public Solution(int capacity) {
        // write code here
        this.capacity = capacity;
        //left指向最久未使用的结点 right指向最新的结点
        left = new Node(-1, -1);
        right = new Node(-1, -1);
        left.next = right;
        right.pre = left;
    }

    public int get(int key) {
        // write code here
        if (map.containsKey(key)) {
            Node node = map.get(key);
            //删除链表中的该结点node
            remove(node);
            //在最新位置加入该结点
            insert(key, node.val);
            return node.val;
        } else {
            return -1;
        }
    }

    public void set(int key, int value) {
        // write code here
        if (map.containsKey(key)) {
            Node node = map.get(key);
            remove(node);
            insert(key, value);
        } else {
            if (map.size() == capacity) {
                //置换出最近最久未使用的结点
                Node del = left.next;
                remove(del);
                insert(key, value);
            } else {
                insert(key, value);
            }
        }
    }

    private void insert(int key, int val) {
        Node cur = new Node(key, val);
        Node pre = right.pre;
        cur.pre = pre;
        cur.next = right;
        pre.next = cur;
        right.pre = cur;
        map.put(key, cur);
    }


    private void remove(Node node) {
        Node pre = node.pre;
        Node next = node.next;
        pre.next = next;
        next.pre = pre;
        map.remove(node.key, node);
    }
}

/**
 * Your Solution object will be instantiated and called as such:
 * Solution solution = new Solution(capacity);
 * int output = solution.get(key);
 * solution.set(key,value);
 */