LRU缓存
- LRU缓存的实现思路
- LRU缓存的操作
- [C++11 STL实现LRU缓存](#C++11 STL实现LRU缓存)
- [自行设计双向链表 + 哈希表](#自行设计双向链表 + 哈希表)
LRU（Least Recently Used，最近最少使用）缓存是一种常见的缓存淘汰算法，其基本思想是：当缓存空间已满时，移除最近最少使用的数据。LRU缓存通常通过链表（双向链表）和哈希表相结合来实现，利用哈希表快速查找，链表保持数据的使用顺序。
LRU缓存的实现思路
实现思路：哈希表 + 双向链表
-
为什么使用哈希表？
哈希表：用来存储键值对，可以在常数时间内（O(1)）进行查找、插入和删除操作。
-
为什么使用双向带头尾链表？
双向链表：用来维护数据的使用顺序。最近使用的元素放在链表的头部，最久未使用的元素放在链表的尾部。通过这种方式可以在O(1)的时间复杂度下实现删除最久未使用的元素。
LRU缓存的操作
- Get(key): 如果键存在于缓存中，返回对应的值并将该键值对移到链表头部，表示最近被访问过。如果不存在，返回-1。
- Put(key, value): 插入键值对。如果缓存已满，则删除最久未使用的元素，之后插入新的键值对，并将其移到链表头部。
C++11 STL实现LRU缓存
时间复杂度分析：
get(key)：查找操作是O(1)，然后通过 touch 函数将键移到链表头部，也是在O(1)时间内完成的。
put(key, value)：插入或更新键值对的操作是O(1)，如果缓存满了需要删除最久未使用的元素（evict），删除操作也是O(1)。因此，get 和 put 操作的时间复杂度都是 O(1)。
cpp
#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <list>
class LRUCache {
public:
LRUCache(int capacity) : capacity(capacity) {}
// 获取缓存中的值
int get(int key) {
auto it = cache.find(key);
if (it == cache.end()) {
return -1; // 未找到键，返回 -1
}
touch(it); // 标记为最近使用
return it->second.first; // 返回对应的值
}
// 插入新的键值对
void put(int key, int value) {
auto it = cache.find(key);
if (it != cache.end()) {
touch(it); // 标记为最近使用
it->second.first = value; // 更新值
} else {
if (cache.size() == capacity) {
evict(); // 删除最久未使用的元素
}
// 插入新的键值对到链表头部
order.push_front(key);
cache[key] = {value, order.begin()}; // 存入哈希表，值和链表位置
}
}
private:
// 更新元素为最近使用
void touch(std::unordered_map<int, std::pair<int, std::list<int>::iterator>>::iterator it) {
int key = it->first;
order.erase(it->second.second); // 删除当前元素
order.push_front(key); // 将元素插入链表头部
it->second.second = order.begin(); // 更新迭代器位置
}
// 淘汰最久未使用的元素
void evict() {
int key_to_evict = order.back(); // 获取尾部元素（最久未使用）
order.pop_back(); // 从链表中移除
cache.erase(key_to_evict); // 从哈希表中删除
}
int capacity; // 缓存容量
std::list<int> order; // 双向链表，维护键的访问顺序
std::unordered_map<int, std::pair<int, std::list<int>::iterator>> cache; // 哈希表，存储键值对和链表位置
};
int main() {
LRUCache cache(2); // 设置缓存容量为2
cache.put(1, 1); // 缓存: {1=1}
cache.put(2, 2); // 缓存: {1=1, 2=2}
std::cout << cache.get(1) << std::endl; // 返回 1，缓存: {2=2, 1=1}
cache.put(3, 3); // 淘汰键 2，缓存: {1=1, 3=3}
std::cout << cache.get(2) << std::endl; // 返回 -1 (未找到)
cache.put(4, 4); // 淘汰键 1，缓存: {3=3, 4=4}
std::cout << cache.get(1) << std::endl; // 返回 -1 (未找到)
std::cout << cache.get(3) << std::endl; // 返回 3
std::cout << cache.get(4) << std::endl; // 返回 4
return 0;
}效果：代码简洁，但效率不高。
自行设计双向链表 + 哈希表
cpp
#include <iostream>
#include <unordered_map>
using namespace std;
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) {
// 使用伪头部和伪尾部节点
head = new DLinkedNode();
tail = new DLinkedNode();
head->next = tail;
tail->prev = head;
}
int get(int key) {
if (!cache.count(key)) {
return -1; // 如果找不到该键，返回 -1
}
DLinkedNode* node = cache[key];
moveToHead(node); // 移动到链表头部
return node->value; // 返回值
}
void put(int key, int value) {
if (!cache.count(key)) {
// 如果 key 不存在，创建新节点
DLinkedNode* node = new DLinkedNode(key, value);
cache[key] = node;
addToHead(node); // 添加到链表头部
++size;
if (size > capacity) {
// 超过容量，删除尾部节点
DLinkedNode* removed = removeTail();
cache.erase(removed->key); // 从哈希表中删除该键
delete removed; // 防止内存泄漏
--size;
}
}
else {
// 如果 key 存在，更新值，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); // 移除节点
addToHead(node); // 重新添加到头部
}
DLinkedNode* removeTail() {
DLinkedNode* node = tail->prev;
removeNode(node);
return node;
}
};
int main() {
LRUCache cache(2); // 缓存容量为2
cache.put(1, 1); // 缓存: {1=1}
cache.put(2, 2); // 缓存: {1=1, 2=2}
cout << cache.get(1) << endl; // 返回 1，缓存: {2=2, 1=1}
cache.put(3, 3); // 淘汰键 2，缓存: {1=1, 3=3}
cout << cache.get(2) << endl; // 返回 -1，键 2 不存在
cache.put(4, 4); // 淘汰键 1，缓存: {3=3, 4=4}
cout << cache.get(1) << endl; // 返回 -1，键 1 不存在
cout << cache.get(3) << endl; // 返回 3
cout << cache.get(4) << endl; // 返回 4
return 0;
}代码转自力扣官方题解。
效果：时间复杂度明显降低， 效率提高。
总结
上述实现利用了哈希表和双向链表的组合，保证了LRU缓存操作的高效性。哈希表提供了O(1)的查找和更新时间，而双向链表提供了O(1)的插入和删除操作，确保了缓存的高效管理。这个实现适用于高性能缓存系统，如数据库缓存、Web缓存等。