[应用]BM100 设计LRU缓存结构

​​BM100 设计LRU缓存结构​​

知识点​​链表​​​​哈希​​​​模拟​​

描述

设计LRU(最近最少使用)缓存结构，该结构在构造时确定大小，假设大小为 capacity ，操作次数是 n ，并有如下功能:

1. Solution(int capacity) 以正整数作为容量 capacity 初始化 LRU 缓存

2. get(key)：如果关键字 key 存在于缓存中，则返回key对应的value值，否则返回 -1 。

3. set(key, value)：将记录(key, value)插入该结构，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key-value的数量超过capacity，弹出最久未使用的key-value

提示:

1.某个key的set或get操作一旦发生，则认为这个key的记录成了最常使用的，然后都会刷新缓存。

2.当缓存的大小超过capacity时，移除最不经常使用的记录。

3.返回的value都以字符串形式表达，如果是set，则会输出"null"来表示(不需要用户返回，系统会自动输出)，方便观察

4.函数set和get必须以O(1)的方式运行

5.为了方便区分缓存里key与value，下面说明的缓存里key用""号包裹数据范围:

示例1

输入：

["set","set","get","set","get","set","get","get","get"],[[1,1],[2,2],[1],[3,3],[2],[4,4],[1],[3],[4]],2

复制返回值：

["null","null","1","null","-1","null","-1","3","4"]

复制说明：

我们将缓存看成一个队列，最后一个参数为2代表capacity，所以
Solution s = new Solution(2);
s.set(1,1); //将(1,1)插入缓存，缓存是{"1"=1}，set操作返回"null"
s.set(2,2); //将(2,2)插入缓存，缓存是{"2"=2，"1"=1}，set操作返回"null"
output=s.get(1);// 因为get(1)操作，缓存更新，缓存是{"1"=1，"2"=2}，get操作返回"1"
s.set(3,3); //将(3,3)插入缓存，缓存容量是2，故去掉某尾的key-value，缓存是{"3"=3，"1"=1}，set操作返回"null" 
output=s.get(2);// 因为get(2)操作，不存在对应的key，故get操作返回"-1"
s.set(4,4); //将(4,4)插入缓存，缓存容量是2，故去掉某尾的key-value，缓存是{"4"=4，"3"=3}，set操作返回"null" 
output=s.get(1);// 因为get(1)操作，不存在对应的key，故get操作返回"-1"
output=s.get(3);//因为get(3)操作，缓存更新，缓存是{"3"=3，"4"=4}，get操作返回"3"
output=s.get(4);//因为get(4)操作，缓存更新，缓存是{"4"=4，"3"=3}，get操作返回"4"

题解

LRU缓存是个很老生常谈的话题了，在C++中我们使用链表+hash表的方式实现。

链表：

1. 链表使用list<std::pair<int,int>>类型实现
2. key和value分别对应LRU中的key和value

hash表：

1. 使用unordered_map<int,list<std::pair<int,int>>::iterrator>类型的hash表
2. hash表的key就是LRU中的key
3. hash表中的value指向我们链表中的迭代器，为的是在get的时候O（1）获取到链表的迭代器后，再O（1）的删除链表元素

get方法：

1. 如果不存在于hash表中，返回-1
2. 如果存在于hash表中，获取则删除链表中对应的节点，然后再构造一个新的节点放入链表头，同时更新hash表中key的指向

set方法：

1. 如果key已经存在于hash表中，则通过hash表获取到链表的迭代器，并删除链表中对应的节点
2. 如果元素超过了cap，则应该从链表末尾删除元素，并且删除hash表中对应的key
3. 构造一个新的节点放入链表头，同时更新hash表中key的指向

代码如下：

#include <bits/stdc++.h>

class Solution
{
public:
  Solution(int capacity) : cap(capacity)
  {
    // write code here
  }

  int get(int key)
  {
    if (m.find(key) == m.end())
    {
      return -1;
    }

    int value = m[key]->second;
    list.erase(m[key]);
    m[key] = list.insert(list.begin(), {key, value});
    return value;
  }

  void set(int key, int value)
  {
    if (m.find(key) != m.end())
    {
      list.erase(m[key]);
    }
    if (list.size() >= cap)
    {
      m.erase(list.back().first);
      list.pop_back();
    }

    m[key] = list.insert(list.begin(), {key, value});
  }

private:
  int cap;
  std::unordered_map<int, std::list<std::pair<int, int>>::iterator> m;
  std::list<std::pair<int, int>> list;
};