146.LRU缓存

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：

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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

双向链表+哈希表

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Solution：

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public class LRUCache {
    // 内部静态类 Node，代表双向链表的一个节点，用于存储键值对以及两个指向前后节点的引用
    private static class Node {
        int key, value;   // key: 节点的键，value: 节点的值
        Node prev, next;  // prev: 指向前一个节点，next: 指向后一个节点

        // Node 类的构造函数，用于初始化节点
        Node(int k, int v) {
            key = k;
            value = v;
        }
    }

    private final int capacity;  // 缓存的容量上限
    private final Node dummy = new Node(0, 0); // 哨兵节点，简化链表操作
    private final Map<Integer, Node> keyToNode = new HashMap<>(); // 哈希表，用于快速查找节点

    // LRUCache 构造函数，初始化缓存容量和双向链表的哨兵节点
    public LRUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        dummy.prev = dummy;
        dummy.next = dummy;
    }

    // 获取键对应的值，如果存在，就通过 getNode 方法将节点移到链表头部
    public int get(int key) {
        Node node = getNode(key);
        return node != null ? node.value : -1; // 如果节点存在，返回节点的值，否则返回 -1
    }

    // 将键值对放入缓存，如果键已存在，更新其值；如果达到容量上限，删除最久未使用的数据
    public void put(int key, int value) {
        Node node = getNode(key);
        if (node != null) {  // 如果节点存在，更新节点的值
            node.value = value;
            return;
        }
        node = new Node(key, value);  // 创建新的节点
        keyToNode.put(key, node);     // 加入哈希表
        pushFront(node);              // 将节点插入到链表头部
        if (keyToNode.size() > capacity) { // 如果超过容量，删除最末尾的节点
            Node backNode = dummy.prev;
            keyToNode.remove(backNode.key);
            remove(backNode); // 调用 remove 方法删除节点
        }
    }

    // 获取键对应的节点，如果存在，将其从当前位置移动到链表头部
    private Node getNode(int key) {
        if (!keyToNode.containsKey(key)) { // 检查键是否存在
            return null;
        }
        Node node = keyToNode.get(key);
        remove(node);  // 从链表中移除节点
        pushFront(node); // 将节点移到链表头部
        return node;
    }

    // 从链表中删除一个节点
    private void remove(Node x) {
        x.prev.next = x.next;
        x.next.prev = x.prev;
    }

    // 将一个节点添加到链表头部
    private void pushFront(Node x) {
        x.prev = dummy;
        x.next = dummy.next;
        dummy.next.prev = x;
        dummy.next = x;
    }
}