(链表:哈希表 + 双向链表）146.LRU 缓存-EW帮帮网

题目

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。

LRU是Least Recently Used的缩写，即最近最少使用，是一种常用的页面置换算法，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。该算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间 t，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其 t 值最大的，即最近最少使用的页面予以淘汰。

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

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 * 105 次 get 和 put

思路

LRU 缓存机制可以通过哈希表辅以双向链表实现，我们用一个哈希表和一个双向链表维护所有在缓存中的键值对。

双向链表：最近使用的发到链表头，按照被使用的顺序存储了这些键值对，靠近头部的键值对是最近使用的，而靠近尾部的键值对是最久未使用的。
哈希表：为普通的哈希映射（HashMap），通过缓存数据的键映射到其在双向链表中的位置。作用：快速定位节点，和链表保持数据一致性，确保淘汰过程正确，控制容量

get和put操作流程

get流程：

判断key是否存在，不存在则返回-1
key存在，难到这个key的节点Node，并将当前这个Node移动到链表的头部
返回Node结点的value

put流程：

判断key是否存在哈希表中，不存在，则使用key和calue创建应该新的节点Node，并将这个Node添加到链表的头部，再判断链表中的节点数是否超过容量，超出则删除链表尾部节点Node 和哈希表中对应的项
如果key存在，则与 get 操作类似，先通过哈希表定位，再将对应的节点的值更新为 value，并将该节点移到双向链表的头部。

通过分析上面的流程分析，我们需要定义几个数据结构和方法

节点Node的定义：使用双向链表

优点：快速移动到头节点，快速删除尾部节点，维护访问顺序

代码：

class DLinkedNode {
   int key;
   int value;
   // 前节点
   DLinkedNode prev;
   // 后节点
   DLinkedNode next;
   // 无参构造
   public DLinkedNode() {}
   // 构造
   public DLinkedNode(int _key, int _value) {key = _key; value = _value;}
}

删除节点：

private void removeNode(DLinkedNode node) {
    node.prev.next = node.next;
    node.next.prev = node.prev;
}

删除尾节点：

private DLinkedNode removeTail() {
   DLinkedNode res = tail.prev;
    removeNode(res);
    return res;
}

新增节点：在头部添加

private void addToHead(DLinkedNode node) {
    node.prev = head;
    node.next = head.next;
    head.next.prev = node;
    head.next = node;
}

Node移动到头部的操作：removeToHead

private void moveToHead(DLinkedNode node) {
    removeNode(node);
    addToHead(node);
}

LRUCache参数：初始化容量、实时容量、map缓存、头尾节点

private Map<Integer, DLinkedNode> cache = new HashMap<Integer, DLinkedNode>();
// 实时记录缓存元素数量：跟踪当前缓存中的数据量，用于容量控制
private int size;
// 容量阈值：定义缓存最大承载量
private int capacity;
// head：表操作锚点：作为双向链表的固定起始点，简化头部插入操作
// tail：LRU节点标识：标记链表末端，便于快速定位待淘汰节点
private DLinkedNode head, tail;

初始化zhegLRUCache

public LRUCache(int capacity) {
    this.size = 0;
    this.capacity = capacity;
    // 使用伪头部和伪尾部节点
    head = new DLinkedNode();
    tail = new DLinkedNode();
    head.next = tail;
    tail.prev = head;
}

get操作

public int get(int key) {
    DLinkedNode node = cache.get(key);
    if (node == null) {
        return -1;
    }
    // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再移到头部
    moveToHead(node);
    return node.value;
}

put 操作

public void put(int key, int value) {
    DLinkedNode node = cache.get(key);
    if (node == null) {
        // 如果 key 不存在，创建一个新的节点
        DLinkedNode newNode = new DLinkedNode(key, value);
        // 添加进哈希表
        cache.put(key, newNode);
        // 添加至双向链表的头部
        addToHead(newNode);
        ++size;
        if (size > capacity) {
            // 如果超出容量，删除双向链表的尾部节点
            DLinkedNode tail = removeTail();
            // 删除哈希表中对应的项
            cache.remove(tail.key);
            --size;
        }
    }
    else {
        // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再修改 value，并移到头部
        node.value = value;
        moveToHead(node);
    }
}

算法

public class LRUCache {
    class DLinkedNode {
        int key;
        int value;
        DLinkedNode prev;
        DLinkedNode next;
        public DLinkedNode() {}
        public DLinkedNode(int _key, int _value) {key = _key; value = _value;}
    }

    private Map<Integer, DLinkedNode> cache = new HashMap<Integer, DLinkedNode>();
    private int size;
    private int capacity;
    private DLinkedNode head, tail;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.size = 0;
        this.capacity = capacity;
        // 使用伪头部和伪尾部节点
        head = new DLinkedNode();
        tail = new DLinkedNode();
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }

    public int get(int key) {
        DLinkedNode node = cache.get(key);
        if (node == null) {
            return -1;
        }
        // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再移到头部
        moveToHead(node);
        return node.value;
    }

    public void put(int key, int value) {
        DLinkedNode node = cache.get(key);
        if (node == null) {
            // 如果 key 不存在，创建一个新的节点
            DLinkedNode newNode = new DLinkedNode(key, value);
            // 添加进哈希表
            cache.put(key, newNode);
            // 添加至双向链表的头部
            addToHead(newNode);
            ++size;
            if (size > capacity) {
                // 如果超出容量，删除双向链表的尾部节点
                DLinkedNode tail = removeTail();
                // 删除哈希表中对应的项
                cache.remove(tail.key);
                --size;
            }
        }
        else {
            // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再修改 value，并移到头部
            node.value = value;
            moveToHead(node);
        }
    }

    private void addToHead(DLinkedNode node) {
        node.prev = head;
        node.next = head.next;
        head.next.prev = node;
        head.next = node;
    }

    private void removeNode(DLinkedNode node) {
        node.prev.next = node.next;
        node.next.prev = node.prev;
    }

    private void moveToHead(DLinkedNode node) {
        removeNode(node);
        addToHead(node);
    }

    private DLinkedNode removeTail() {
        DLinkedNode res = tail.prev;
        removeNode(res);
        return res;
    }
}

但是在日常工作中，还是直接使用LinkedHashMap便可以了

插入模式（默认）：新节点追加至链表尾部

示例插入顺序 A → B → C → D
访问模式
- accessOrder=true：访问/插入节点均移至尾部，LRU缓存淘汰策略
  - （accessOrder=true）：被访问节点移至链表尾部
    
    访问B后的顺序 A → C → D → B
- 默认值：新节点始终追加尾部，保留原始插入顺序

class LRUCache extends LinkedHashMap<Integer, Integer>{
    private int capacity;
    
    public LRUCache(int capacity) {
    	// accessOrder=true
        super(capacity, 0.75F, true);
        this.capacity = capacity;
    }

    public int get(int key) {
        return super.getOrDefault(key, -1);
    }

    public void put(int key, int value) {
        super.put(key, value);
    }

    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Integer, Integer> eldest) {
        // 触发淘汰最久未使用项
        return size() > capacity; 
    }
}

(链表:哈希表 + 双向链表）146.LRU 缓存

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