链表：LRU缓存

leetcode：146. LRU 缓存

题目描述

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

解题思路

使用双向链表实现LRU最近最少使用缓存。

• 查询/插入操作，将对应节点置为链表第一个元素。
• 插入操作
  • 如果key对应节点已经存在，先删除。
  • 如果缓存容量为0，删除链表中的最后一个元素。双向链表节点类设计中需要key，删除最久未使用元素的同时，需要查询key，删除HashMap中的对应存储。

完整代码：

class LRUCache {
    class DoubleListNode {
        int key, val;
        DoubleListNode prev, next;

        DoubleListNode(int key, int val) {
            this.key = key;
            this.val = val;
        }
    }

    int cap;
    DoubleListNode head, tail;
    Map<Integer, DoubleListNode> map;

    public LRUCache(int capacity) {
        cap = capacity;
        head = new DoubleListNode(-1, -1);
        tail = new DoubleListNode(-1, -1);
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
        map = new HashMap<>();
    }
    
    public int get(int key) {
        if (map.containsKey(key)) {
            DoubleListNode p = map.get(key);
            delete(p);
            putHead(p);
            return p.val;
        }
        return -1;
    }
    
    public void put(int key, int value) {
        DoubleListNode p = null;
        if (map.containsKey(key)) {
            p = map.get(key);
            p.val = value;
            delete(p);
        }
        else {
            if (map.size() == cap) {
                map.remove(tail.prev.key);
                delete(tail.prev);
            }
            p = new DoubleListNode(key, value);
            map.put(key, p);
        }
        putHead(p);
    }

    public void delete(DoubleListNode p) {
        p.prev.next = p.next;
        p.next.prev = p.prev;
    }

    public void putHead(DoubleListNode p) {
        p.prev = head;
        p.next = head.next;
        head.next.prev = p;
        head.next = p;
    }
}