LeetCode hot 100—LRU缓存

题目

腾讯后台开发手撕常考

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 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

示例

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

分析

为了实现一个满足 LRU（最近最少使用）缓存约束的数据结构，并且保证 get 和 put 操作的平均时间复杂度为 O(1)，可以结合使用哈希表和双向链表。哈希表用于快速查找键值对，双向链表用于维护键值对的访问顺序。

哈希表+双向链表

get(int key) 函数：

首先在哈希表中查找 key，如果不存在，返回 -1；如果存在，将该元素移动到链表头部，表示最近访问，并更新哈希表中该元素的迭代器。

返回该元素的值。

put(int key, int value) 函数：

如果 key 已经存在，删除链表中对应的元素；如果缓存已满，删除链表尾部的元素，并从哈希表中移除对应的键。

插入新的键值对到链表头部，并更新哈希表。

时间复杂度：O(1)

空间复杂度：O(capacity)

cpp 复制代码

class LRUCache {
private:
    int capacity;
    std::list<std::pair<int, int>> cacheList;
    std::unordered_map<int, std::list<std::pair<int, int>>::iterator> cacheMap;
public:
    LRUCache(int capacity) : capacity(capacity) {}
    int get(int key) {
        auto it = cacheMap.find(key);
        if (it == cacheMap.end()) {
            return -1;
        }
        // 将该元素移动到链表头部
        std::pair<int, int> kv = *(it->second);
        cacheList.erase(it->second);
        cacheList.push_front(kv);
        cacheMap[key] = cacheList.begin();
        return kv.second;
    }
    void put(int key, int value) {
        auto it = cacheMap.find(key);
        if (it != cacheMap.end()) {
            // 如果 key 已经存在，更新其值并移动到链表头部
            cacheList.erase(it->second);
        } else if (cacheList.size() == capacity) {
            // 如果缓存已满，删除链表尾部元素
            int lastKey = cacheList.back().first;
            cacheMap.erase(lastKey);
            cacheList.pop_back();
        }
        // 插入新元素到链表头部
        cacheList.push_front({key, value});
        cacheMap[key] = cacheList.begin();
    }
};

知识充电

std::pair 模板类

定义

cpp 复制代码

template< class T1, class T2 >
struct pair;

创建和初始化

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <utility>
#include <string>
int main() {
    // 默认构造函数，元素进行默认初始化
    std::pair<int, double> p1; 
    // 直接使用值进行初始化
    std::pair<int, std::string> p2(1, "example"); 
    // 使用 std::make_pair 函数创建，自动推导类型
    auto p3 = std::make_pair(2, 3.14); 
    std::cout << "p2: (" << p2.first << ", " << p2.second << ")" << std::endl;
    std::cout << "p3: (" << p3.first << ", " << p3.second << ")" << std::endl;
    return 0;
}

访问元素

std::pair提供了两个公有成员变量first和second，借助它们可以分别访问pair中的第一个和第二个元素：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <utility>
int main() {
    std::pair<int, char> p(10, 'A');
    std::cout << "First element: " << p.first << std::endl;
    std::cout << "Second element: " << p.second << std::endl;
    return 0;
}

比较操作

std::pair重载了多个比较运算符，像==、!=、<、<=、>、>=等，能直接对两个pair对象进行比较。比较时先比较first成员，若相等再比较second成员：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <utility>
int main() {
    std::pair<int, int> p1(1, 2);
    std::pair<int, int> p2(1, 2);
    std::pair<int, int> p3(2, 3);
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << "p1 == p2: " << (p1 == p2) << std::endl;
    std::cout << "p1 < p3: " << (p1 < p3) << std::endl;
    return 0;
}

交换操作

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <utility>
int main() {
    std::pair<int, char> p1(1, 'A');
    std::pair<int, char> p2(2, 'B');
    p1.swap(p2);
    std::cout << "p1: (" << p1.first << ", " << p1.second << ")" << std::endl;
    std::cout << "p2: (" << p2.first << ", " << p2.second << ")" << std::endl;
    return 0;
}

std::pair是一个简单却实用的模板类，它可以方便地把两个不同类型的值组合在一起，并且提供了访问元素、比较和交换等操作，在许多算法和数据处理场景中都有广泛应用。