Leetcode LRU 缓存机制
2023-06-13 09:17:20 时间
前言
缓存是一种提高数据读取性能的技术，在计算机中cpu和主内存之间读取数据存在差异，CPU和主内存之间有CPU缓存，而且在内存和硬盘有内存缓存。当主存容量远大于CPU缓存，或磁盘容量远大于主存时，哪些数据应该被应该被清理，哪些数据应该被保留，这就需要缓存淘汰策略来决定。常见的策略有三种：先进先出策略FIFO(First In,First Out)、最少使用策略LFU(Least Frequently Used)、最近最少使用策略LRU(Least Recently Used)。
LRU描述
设计和实现一个 LRU (最近最少使用) 缓存机制 。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) 如果关键字已经存在，则变更其数据值；如果关键字不存在，则插入该组「关键字-值」。当缓存容量达到上限时，它应该在写入新数据之前删除最久未使用的数据值，从而为新的数据值留出空间。
解题思路 哈希表 + 双向链表
- 针对LRU的特点，选择使用双链表实现。
- 使用 gut 方法获取数据，如果有数据，把返回数据，并且把数据放在链表头部。
- 使用 put 方法存放数据，如果数据存在，直接覆盖新值；如果数据不存在，添加新值。新值都放在链表头部。此外，还需要判断缓存有没有超出容量 capacity，如果有超出，删除链表的尾结点。
- 因为是单链表，每次获取数据，或者删除数据，都需要遍历一遍链表，时间复杂度是O(n),这里使用hash来记录每个数据的位置，将数据访问的时间复杂度降到O(1)。
class LRUCache {
class DLinkedNode{
int key;
int value;
DLinkedNode prev;
DLinkedNode next;
public DLinkedNode() {}
public DLinkedNode(int key, int value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
}
private int size;
private int capacity;
private DLinkedNode head;
private DLinkedNode tail;
private Map<Integer,DLinkedNode> cache = new HashMap<>();
public LRUCache(int capacity) {
this.size = 0;
this.capacity = capacity;
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;
}
//找到并移动到首位
moveToHead(node);
return node.value;
}
public void put(int key, int value) {
DLinkedNode node = cache.get(key);
if (node == null) {
//不存在就创建一个新的节点
DLinkedNode newNode = new DLinkedNode(key,value);
cache.put(key,newNode);
addToHead(newNode);
size++;
if (size > capacity) {
//超出容量，移除最后节点
DLinkedNode tail = removeTail();
cache.remove(tail.key);
size--;
}
} else {
//key存在，覆盖value，并移到头部
if (node.value != value) {
node.value = value;
}
moveToHead(node);
}
}
private DLinkedNode removeTail() {
DLinkedNode node = tail.prev;
removeNode(node);
return node;
}
private DLinkedNode removeNode(DLinkedNode node) {
node.next.prev = node.prev;
node.prev.next = node.next;
return node;
}
private void moveToHead(DLinkedNode node) {
removeNode(node);
addToHead(node);
}
private void addToHead(DLinkedNode node) {
node.prev = head;
node.next = head.next;
head.next.prev = node;
head.next = node;
}
}