LeetCode146. LRU 缓存（2024秋季每日一题 37）

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：

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：

$1<=capacity<=3000$
$0<=key<=10000$
$0<=value<=10^5$
最多调用 $2\ast 10^5$ 次 get 和 put

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思路：双链表 + 哈希表
时间复杂度：get：$O(1)$、put：$O(1)$

• 初始化缓存时，创建 head，tail 节点，并且相互指向彼此，初始化容器容量、容器节点数量
• get 时：
  • 如果当前 key 存在，则将当前 key 对应的节点移到链表头部（通过 map 保存），并返回 节点的 val 值
  • 如果当前 key 不存在，则直接返回 -1
• put 时：
  • 如果当前 key 存在，则通过 hash 表 找到对应的节点，将此节点挪到链表头部，并更新节点的 val 值
  • 如果当前 key 不存在
    • 如果链表中 当前节点数量 < 容量，则新建节点，将节点添加到链表 头部
    • 如果链表中 当前节点数量 >= 容量，则删除尾部节点，新建节点，将节点添加到 链表头部
    • 更新链表中节点 cnt 数量

map：unordered_map<int, Node *> mp;

struct Node{Node * pre, * ne;int key, val;Node(){pre = nullptr;ne = nullptr;key = 0;val = 0;}Node(int _key, int _val){key = _key, val = _val;pre = ne = nullptr;}
};
class LRUCache {
private:Node * head;Node * tail;unordered_map<int, Node *> mp;int cnt;int n;
public:LRUCache(int capacity) {cnt = 0;n = capacity;head = new Node();tail = new Node();head -> ne = tail;tail -> pre = head;}int get(int key) {if(!mp.count(key)){return -1;}Node * cur = mp[key];moveToHead(cur);return cur -> val;}void put(int key, int value) {if(!mp.count(key)){cnt++;Node * cur = new Node(key, value);if(cnt > n){removeTail();addToHead(cur);cnt = n;}else{addToHead(cur);}//mp[key]= cur;mp.insert({key, cur});}else{Node * cur = mp[key];cur -> val = value;moveToHead(cur);}}void removeTail(){mp.erase(tail -> pre -> key);tail -> pre = tail ->pre -> pre;tail -> pre -> ne = tail;}void addToHead(Node * cur){cur -> pre = head;cur -> ne = head -> ne;head -> ne -> pre = cur;head -> ne = cur;}void moveToHead(Node * cur){cur -> ne -> pre = cur -> pre;cur -> pre -> ne = cur -> ne;addToHead(cur);}
};