力扣 Hot 100 刷题记录 - LRU 缓存

力扣 Hot 100 刷题记录 - LRU 缓存

题目描述

LRU 缓存 是力扣 Hot 100 中的一道经典题目,题目要求如下:

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):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 key 已经存在,则变更其数据值 value;如果不存在,则插入该组 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 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

示例 1:

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


解题思路

这道题的核心是实现一个 LRU 缓存机制,要求 get 和 put 操作的时间复杂度为 O(1)。为了实现这一目标,我们需要结合以下数据结构:

  1. 哈希表:

    • 用于快速查找键值对,时间复杂度为 O(1)。
  2. 双向链表:

    • 用于维护键值对的访问顺序,最近使用的节点放在链表头部,最久未使用的节点放在链表尾部。
    • 双向链表的插入和删除操作时间复杂度为 O(1)。

C++ 代码实现

cpp 复制代码
class LRUCache {
private:
    struct Node {
        int key;
        int value;
        Node* prev;
        Node* next;
        Node(int k, int v) : key(k), value(v), prev(nullptr), next(nullptr) {}
    };

    int capacity;
    unordered_map<int, Node*> cache; // 哈希表,存储键值对
    Node* head; // 双向链表的虚拟头节点
    Node* tail; // 双向链表的虚拟尾节点

    // 将节点移动到链表头部
    void moveToHead(Node* node) {
        removeNode(node);
        addToHead(node);
    }

    // 移除节点
    void removeNode(Node* node) {
        node->prev->next = node->next;
        node->next->prev = node->prev;
    }

    // 将节点添加到链表头部
    void addToHead(Node* node) {
        node->next = head->next;
        node->prev = head;
        head->next->prev = node;
        head->next = node;
    }

    // 移除链表尾部节点
    Node* removeTail() {
        Node* node = tail->prev;
        removeNode(node);
        return node;
    }

public:
    LRUCache(int capacity) : capacity(capacity) {
        head = new Node(-1, -1); // 初始化虚拟头节点
        tail = new Node(-1, -1); // 初始化虚拟尾节点
        head->next = tail;
        tail->prev = head;
    }

    int get(int key) {
        if (cache.find(key) == cache.end()) {
            return -1; // 键不存在
        }
        Node* node = cache[key];
        moveToHead(node); // 将节点移动到链表头部
        return node->value;
    }

    void put(int key, int value) {
        if (cache.find(key) != cache.end()) {
            // 如果键已存在,更新值并移动到链表头部
            Node* node = cache[key];
            node->value = value;
            moveToHead(node);
        } else {
            // 如果键不存在,创建新节点并添加到链表头部
            Node* node = new Node(key, value);
            cache[key] = node;
            addToHead(node);

            // 如果超出容量,移除链表尾部节点
            if (cache.size() > capacity) {
                Node* removed = removeTail();
                cache.erase(removed->key);
                delete removed;
            }
        }
    }
};
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