Leetcode 146 LRU缓存 的三种解法

146. LRU 缓存

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)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 getput 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

示例:

复制代码
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 <= 10000
  • 0 <= value <= 105
  • 最多调用 2 * 105getput

解法1:Map + ArrayList (key)

用一个Map来存放key和value,一个ArrayList来存放访问顺序。

当用户get、put的key存在时,则从ArrayList中找到对应的key删除,然后把新访问的key放到尾部。

头部表示最久未访问的数据,尾部表示最新访问的数据。与数据结构匹配。

java 复制代码
class LRUCache {
    private int capacity;
    private Map<Integer,Integer> cache;
    private List<Integer> delete;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.cache = new HashMap<>(capacity);
        this.capacity = capacity;
        this.delete = new ArrayList<>(capacity);
    }
    
    public int get(int key) {
        Integer value = cache.get(key);
        if(value != null){
            // update to delete queue
            delete.remove((Integer)key);
            delete.add((Integer)key);
            return value;
        }
        return -1;
    }
    
    public void put(int key, int value) {
        // if existed
        if (cache.containsKey(key)) {
            // update to delete queue
            delete.remove((Integer)key);
            delete.add((Integer)key);
            cache.put(key, value);
            return;
        }
        
        // if cache is full, need to delete
        if(cache.size() == capacity){
            Integer deleteKey = delete.remove(0);
            cache.remove(deleteKey);
        }
        cache.put(key, value);
        delete.add(key);
    }

}

/**
 * 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);
 */

性能不怎么好,花了883ms。大部分时间花在ArrayList中查找key的位置和删除key后移动元素上了。

那我们想办法改进下,查找和删除。

解法2:Map + ArrayList (key, timestamp)

我们看到解法1中大部分时间都是在ArrayList中查找key和删除后移动数据。那么我们能不能不移动数据?答案是可以的。

方法是:我们每次操作key后为其引入一个timestamp,需要删除这个key时,比较待删除的timestamp是否没有更新过,没更新过则删除。这里使用程序启动后的纳秒,防止在同一个微秒内完成了多个操作,不能区分。

java 复制代码
class LRUCache {
    private int capacity;
    private Map<Integer,KeyTime> cache;
    private List<KeyTime> delete;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.cache = new HashMap<>(capacity*3/2);
        this.delete = new LinkedList<>();
    }
    
    public int get(int key) {
        KeyTime kt = cache.get(key);
        if(kt != null){
            long time = System.nanoTime();
            kt.time = time;
            // update to delete queue
            delete.add(new KeyTime(key, kt.value, time));
            return kt.value;
        }
        return -1;
    }
    
    public void put(int key, int value) {
        long time = System.nanoTime();
        // if existed
        KeyTime kt = cache.get(key);
        if (kt != null) {
            kt.time = time;
            kt.value = value;
            // update to delete queue
            delete.add(new KeyTime(key, value, time));
            return;
        }
        
        // if cache is full, need to delete
        if(cache.size() == capacity){
            while(true) {
                KeyTime deleteKt = delete.remove(0);
                KeyTime existKt = cache.get(deleteKt.key);
                if (existKt != null && existKt.time == deleteKt.time) {
                    cache.remove(deleteKt.key);
                    break;
                }
            }
        }
        cache.put(key, new KeyTime(key, value, time));
        delete.add(new KeyTime(key, value, time));
    }

    static class KeyTime {
        int key;
        int value;
        long time;

        public KeyTime(int key, int value, long time) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.time = time;
        }
    }

}

/**
 * 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);
 */

性能已经从883ms提升到了52ms,历史性的飞跃。还不错,可惜才28.88%,要是还想进一步优化的话,可以参考官方的LinkedHashMap实现。

解法3:HashMap + 双向链表 = LinkedHashMap

这里get/put 后把新访问的节点移动到表尾处,表头存放的是最久未访问的数据。

具体实现如下:

java 复制代码
public class LRUCache {

    /**
     * use double direction linked list to store the order which to evict over due key.
     */
     private int capacity;
     private Map<Integer,Node> cache;

     // store the first node to delete which is unused for a long time
     private Node head;
     // store the used node recently
     private Node tail;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.cache = new HashMap<>(capacity);
        this.head = new Node(-1, 0, null, null);
        this.tail = new Node(-2, 0, head, null);
        this.head.next = tail;
    }

    public int get(int key) {
        Node node = cache.get(key);
        if (node != null) {
            // existed then move to head
            moveToTail(node);
            return node.value;
        }

        return -1;
    }

    public void put(int key, int value) {
        Node node = cache.get(key);
        if (node != null) {
            // existed, only need to update position
            moveToTail(node);
            node.value = value;
            return;
        }

        // cache is full, get the last unused node to remove
        if (cache.size() == capacity) {
            // remove the head node which is unused for a long time
            Node toDelete = head.next;
            deleteNode(toDelete);
            cache.remove(toDelete.key);
        }

        node = new Node(key, value, null, null);
        cache.put(key, node);
        addToTail(node);
    }

    static class Node {
        int key;
        int value;
        Node previous;
        Node next;

        public Node(int key, int value, Node previous, Node next) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.previous = previous;
            this.next = next;
        }
    }

    public void moveToTail(Node node) {
        deleteNode(node);
        addToTail(node);
    }

    /**
     * delete node from list.
     */
    public void deleteNode(Node node) {
        node.previous.next = node.next;
        node.next.previous = node.previous;
    }

    /**
     * add node to list tail.
     */
    public void addToTail(Node node) {
        node.next = tail;
        node.previous = tail.previous;
        tail.previous.next = node;
        tail.previous = node;
    }  
}

运行时间43ms,超越98.98%,可以了。

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