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如何使用HashMap和双链表实现LRU缓存

LRU缓存代表最近最少使用的缓存。驱逐最近使用最少的条目。缓存的目的是提供快速和有效的方法检索数据。它需要满足一定的要求。

存在以下需求：

1. 固定大小:缓存需要有一些边界来限制内存使用。

2. 快速访问:缓存插入和查找操作应该是快速的，最好是O(1)时间。

3. 在达到内存限制的情况下替换条目:当内存满时，缓存应该有有效的算法来驱逐条目。

在LRU缓存的情况下，我们驱逐最近最少使用的条目，所以我们必须跟踪最近使用的条目，长时间未使用的条目和最近使用的条目。另外查找和插入操作应该足够快。

当我们想到O(1)查找时，我们想到的明显的数据结构是HashMap。HashMap提供O(1)插入和查找。但是HashMap没有跟踪最近查询过哪些条目的机制。

为了跟踪这一点，我们需要另一种数据结构，它可以提供快速的插入、删除和更新，在LRU的情况下，我们使用双链表。选择双LinkList的原因是如果我们有需要执行此操作的Node的地址，则需要O(1)删除、更新和插入。

所以我们实现的LRU缓存将有HashMap和doublelinkedlist。HashMap将保存双链表节点的键和地址。doublelinkedlist将保存键的值。

由于我们需要跟踪最近使用的条目，我们将使用一个聪明的方法。我们将从底部删除元素，并在LinkedList的开始添加元素，无论何时任何条目被访问，它都将移动到顶部。因此，最近使用的条目将在顶部，最少使用的条目将在底部。

import java.util.HashMap;
class Entry {
  int value;
  int key;
  Entry left;
  Entry right;
}
public class LRUCache {
​
  HashMap<Integer, Entry> hashmap;
  Entry start, end;
  int LRU_SIZE = 4; // Here i am setting 4 to test the LRU cache
            // implementation, it can make be dynamic
  public LRUCache() {
    hashmap = new HashMap<Integer, Entry>();
  }
​
  public int getEntry(int key) {
    if (hashmap.containsKey(key)) // Key Already Exist, just update the
    {
      Entry entry = hashmap.get(key);
      removeNode(entry);
      addAtTop(entry);
      return entry.value;
    }
    return -1;
  }
​
  public void putEntry(int key, int value) {
    if (hashmap.containsKey(key)) // Key Already Exist, just update the value and move it to top
    {
      Entry entry = hashmap.get(key);
      entry.value = value;
      removeNode(entry);
      addAtTop(entry);
    } else {
      Entry newnode = new Entry();
      newnode.left = null;
      newnode.right = null;
      newnode.value = value;
      newnode.key = key;
      if (hashmap.size() > LRU_SIZE) // We have reached maxium size so need to make room for new element.
      {
        hashmap.remove(end.key);
        removeNode(end);        
        addAtTop(newnode);
​
      } else {
        addAtTop(newnode);
      }
​
      hashmap.put(key, newnode);
    }
  }
  public void addAtTop(Entry node) {
    node.right = start;
    node.left = null;
    if (start != null)
      start.left = node;
    start = node;
    if (end == null)
      end = start;
  }
​
  public void removeNode(Entry node) {
​
    if (node.left != null) {
      node.left.right = node.right;
    } else {
      start = node.right;
    }
​
    if (node.right != null) {
      node.right.left = node.left;
    } else {
      end = node.left;
    }
  }
  public static void main(String[] args) throws java.lang.Exception {
    // your code goes here
    LRUCache lrucache = new LRUCache();
    lrucache.putEntry(1, 1);
    lrucache.putEntry(10, 15);
    lrucache.putEntry(15, 10);
    lrucache.putEntry(10, 16);
    lrucache.putEntry(12, 15);
    lrucache.putEntry(18, 10);
    lrucache.putEntry(13, 16);
​
    System.out.println(lrucache.getEntry(1));
    System.out.println(lrucache.getEntry(10));
    System.out.println(lrucache.getEntry(15));
​
  }
}