【高阶数据结构(一)】:LRU Cache

发布于:2025-02-10 ⋅ 阅读:(35) ⋅ 点赞:(0)

一、LRU Cache概念

 LRU(Least Recently Used)最近最少使用,是一种cache替换算法。Cache的容量是优先的,当容量达到上限时,如果还有新的数据需要插入,此时我们通常将最近最少使用的数据丢弃,腾出空间存放新数据!

 狭义上的Cache是指CPU和主存直接快速RAM,他并不像系统主存哪些采用DRAM,而是使用造价更高、速度更快的SRAM。而广义上的Cache是指位于两种速度差距较大的硬件间,用于协调两者之间传输效率差异的结构。

二、LRU Cache的实现

 LRU Cache的实现方式有很多,但需要保证所有的操作(增删查改)的时间复杂度都为O(1),最经典的方式就是用哈希表和双向链表实现。

  1. 我们用哈希表保存数据,双向链表保存使用情况,最近一次使用的数据在链表开头,最久未使用的数据在链表尾部。
  2. 对哈希表的增删查改时间复杂度为O(1),满足要求。但我们在查改数据时,需要将该数据对应链表节点进行更新,首先查找到对应节点,然后移到开头。但显然在链表中查找数据采用线性遍历。时间复杂度为O(N),不符合要求。
  3. 所以我们对哈希表进行特殊处理,将数据保存到链表中,哈希表的value存储对应链表节点的迭代器。进行查改时,我们通过哈希表直接找到对应链表节点。
    在这里插入图片描述

三、实现

146. LRU 缓存

class LRUCache {
public:
    LRUCache(int capacity) :_capacity(capacity)
    {}
    
    int get(int key) {
        auto iter = _hash.find(key);
        if(iter == _hash.end()) return -1;
        else
        {
            // 更新使用节点在list中的位置
            _list.splice(_list.begin(), _list, iter->second);
            return iter->second->second;
        }
    }
    
    void put(int key, int value) {
        auto iter = _hash.find(key);
        if(iter != _hash.end()) //更新数据
        {
            _list.splice(_list.begin(), _list, iter->second);
            iter->second->second = value;
        }
        else
        { // 插入数据
        	// 这里计算数据的大小时,不要用list.size()。原有在于有的版本list中并不存在直接保存元素个数的成员size,
        	//而是线性遍历看看存在多少数据。此时时间复杂度又回到O(N)
            if(_capacity == _hash.size()) // 达到容量上线,删除最久未使用数据
            {
                _hash.erase(_list.back().first);
                _list.pop_back();
            }
            _list.push_front({key, value});
            _hash.insert({key, _list.begin()});
        }
    }
private:
    unordered_map<int, list<pair<int, int>>::iterator> _hash;
    list<pair<int, int>> _list;
    int _capacity;
};

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