实现 LRU 缓存机制

文章目录

实现 LRU 缓存机制
一、什么是 LRU 算法
二、LRU 算法描述
三、LRU 算法设计
四、代码实现

一、什么是 LRU 算法

LRU 就是一种缓存淘汰策略。(比较常见的内存替换算法有：FIFO（先进先出淘汰算法），LRU最近最少使用替换算法），LFU（最不经常访问淘汰算法），LRU-K（最久未使用K次淘汰算法），2Q（类似LRU-2）)

计算机的缓存容量有限，如果缓存满了就要删除一些内容，给新内容腾位置。但问题是，删除哪些内容呢？我们肯定希望删掉那些没什么用的缓存，而把有用的数据继续留在缓存里，方便之后继续使用。那么，什么样的数据，我们判定为「有用的」的数据呢？
LRU 缓存淘汰算法就是一种常用策略。LRU 的全称是 Least Recently Used，也就是说我们认为 最近使用过的数据应该是是「有用的」，很久都没用过的数据应该是无用的，缓存满了就优先删那些很久没用过的数据。

举个简单的例子，安卓手机都可以把软件放到后台运行，比如我先后打开了「设置」「手机管家」「日历」，那么现在他们在后台排列的顺序是这样的：

但是这时候如果我访问了一下「设置」界面，那么「设置」就会被提前到第一个，变成这样：

假设我的手机只允许我同时开 3 个应用程序，现在已经满了。那么如果我新开了一个应用「时钟」，就必须关闭一个应用为「时钟」腾出一个位置，关那个呢？

按照 LRU 的策略，就关最底下的「手机管家」，因为那是最久未使用的，然后把新开的应用放到最上面：

二、LRU 算法描述

这是一道 LRU 算法设计的题目。让你设计一种数据结构，首先构造函数接收一个 capacity 参数作为缓存的最大容量，然后实现两个 API：

一个是 put(key, val) 方法插入新的或更新已有键值对，如果缓存已满的话，要删除那个最久没用过的键值对以腾出位置插入。
另一个是 get(key) 方法获取 key 对应的 val，如果 key 不存在则返回 -1。

注意哦，get 和 put 方法必须都是 O(1) 的时间复杂度，我们举个具体例子来看看 LRU 算法怎么工作。

/* 缓存容量为 2 */
LRUCache cache = new LRUCache(2);
// 你可以把 cache 理解成一个队列
// 假设左边是队头，右边是队尾
// 最近使用的排在队头，久未使用的排在队尾
// 圆括号表示键值对 (key, val)cache.put(1, 1);
// cache = [(1, 1)]cache.put(2, 2);
// cache = [(2, 2), (1, 1)]cache.get(1);       // 返回 1
// cache = [(1, 1), (2, 2)]
// 解释：因为最近访问了键 1，所以提前至队头
// 返回键 1 对应的值 1cache.put(3, 3);
// cache = [(3, 3), (1, 1)]
// 解释：缓存容量已满，需要删除内容空出位置
// 优先删除久未使用的数据，也就是队尾的数据
// 然后把新的数据插入队头cache.get(2);       // 返回 -1 (未找到)
// cache = [(3, 3), (1, 1)]
// 解释：cache 中不存在键为 2 的数据cache.put(1, 4);
// cache = [(1, 4), (3, 3)]
// 解释：键 1 已存在，把原始值 1 覆盖为 4
// 不要忘了也要将键值对提前到队头

三、LRU 算法设计

分析上面的操作过程，要让 put 和 get 方法的时间复杂度为 O(1)，我们可以总结出 cache这个数据结构必要的条件：查找快，插入快，删除快，有顺序之分。
因为显然 cache 必须有顺序之分，以区分最近使用的和久未使用的数据；而且我们要在 cache 中查找键是否已存在；如果容量满了要删除最后一个数据；每次访问还要把数据插入到队头。
那么，什么数据结构同时符合上述条件呢？哈希表查找快，但是数据无固定顺序；链表有顺序之分，插入删除快，但是查找慢。所以结合一下，形成一种新的数据结构：哈希链表。

LRU 缓存算法的核心数据结构就是哈希链表，双向链表和哈希表的结合体。这个数据结构长这样：

思想很简单，就是借助哈希表赋予了链表快速查找的特性嘛：可以快速查找某个 key 是否存在缓存（链表）中，同时可以快速删除、添加节点。回想刚才的例子，这种数据结构是不是完美解决了 LRU 缓存的需求？

也许读者会问，为什么要是双向链表，单链表行不行？另外，既然哈希表中已经存了 key，为什么链表中还要存键值对呢，只存值不就行了？

想的时候都是问题，只有做的时候才有答案。这样设计的原因，必须等我们亲自实现 LRU 算法之后才能理解，所以我们开始看代码吧～

四、代码实现

很多编程语言都有内置的哈希链表或者类似 LRU 功能的库函数，但是为了帮大家理解算法的细节，我们用 Java 自己造轮子实现一遍 LRU 算法。

首先，我们把双链表的节点类写出来，为了简化，key 和 val 都认为是 int 类型：

class Node
{public int key, val;public Node next, prev;public Node(int k, int v) {this.key = k;this.val = v;}
}

然后依靠我们的 Node 类型构建一个双链表，实现几个要用到的 API，这些操作的时间复杂度均为 O(1) ：

class DoubleList
{  // 在链表头部添加节点 xpublic void addFirst(Node x);// 删除链表中的 x 节点（x 一定存在）public void remove(Node x);// 删除链表中最后一个节点，并返回该节点public Node removeLast();// 返回链表长度public int size();
}

到这里就能回答刚才“为什么必须要用双向链表”的问题了，因为我们需要删除操作。删除一个链表节点不光要得到该节点本身的指针，也需要操作其前驱节点的指针，而双向链表才能支持直接查找前驱，保证操作的时间复杂度 O(1)。

有了双向链表的实现，我们只需要在 LRU 算法中把它和哈希表结合起来即可。我们先把逻辑理清楚：

// key 映射到 Node(key, val)
HashMap<Integer, Node> map;// Node(k1, v1) <-> Node(k2, v2)...
DoubleList cache;int get(int key)
{if (key 不存在) {return -1;} else {        将数据 (key, val) 提到开头；return val;}
}void put(int key, int val)
{Node x = new Node(key, val);if (key 已存在) {把旧的数据删除；将新节点 x 插入到开头；} else {if (cache 已满) {删除链表的最后一个数据腾位置；删除 map 中映射到该数据的键；} 将新节点 x 插入到开头；map 中新建 key 对新节点 x 的映射；}
}

如果能够看懂上述逻辑，翻译成代码就很容易理解了：

class LRUCache {// key -> Node(key, val)private HashMap<Integer, Node> map;// Node(k1, v1) <-> Node(k2, v2)...private DoubleList cache;// 最大容量private int cap;public LRUCache(int capacity) {this.cap = capacity;map = new HashMap<>();cache = new DoubleList();}public int get(int key) {if (!map.containsKey(key))return -1;int val = map.get(key).val;// 利用 put 方法把该数据提前put(key, val);return val;}public void put(int key, int val) {// 先把新节点 x 做出来Node x = new Node(key, val);if (map.containsKey(key)) {// 删除旧的节点，新的插到头部cache.remove(map.get(key));cache.addFirst(x);// 更新 map 中对应的数据map.put(key, x);} else {if (cap == cache.size()) {// 删除链表最后一个数据Node last = cache.removeLast();map.remove(last.key);}// 直接添加到头部cache.addFirst(x);map.put(key, x);}}
}

这里就能回答之前的问答题“为什么要在链表中同时存储 key 和 val，而不是只存储 val”，注意这段代码：

if (cap == cache.size()) {// 删除链表最后一个数据Node last = cache.removeLast();map.remove(last.key);
}

当缓存容量已满，我们不仅仅要删除最后一个 Node 节点，还要把 map 中映射到该节点的 key 同时删除，而这个 key 只能由 Node 得到。如果 Node 结构中只存储 val，那么我们就无法得知 key 是什么，就无法删除 map中的键，造成错误。
至此，你应该已经掌握 LRU 算法的思想和实现了，很容易犯错的一点是：处理链表节点的同时不要忘了更新哈希表中对节点的映射。
C++代码

struct LRUNode
{LRUNode(int key, int val) :key(key),val(val), pre(nullptr), next(nullptr) {}LRUNode(int key, int val, LRUNode* pre, LRUNode* next) :key(key), val(val), pre(pre), next(next) {}//类似与双向链表的双指针LRUNode* next;LRUNode* pre;//键值对int key, val;
};class LRUCache {public:LRUCache(int capacity) {n = capacity;cnt = 0;head->pre = tail;}int get(int key) {if (mp.count(key) == 0) return -1;movefrommid(mp[key]);movetohead(mp[key]);return mp[key]->val;}void put(int key, int value) {if (mp.count(key)) {mp[key]->val = value;movefrommid(mp[key]);movetohead(mp[key]);}else {if (cnt == n) deletetail();else ++cnt;addhead(key, value);}}private:void movefrommid(LRUNode* mid) {LRUNode* l = mid->pre;LRUNode* r = mid->next;mid->pre = nullptr;mid->next = nullptr;l->next = r;r->pre = l;}void movetohead(LRUNode* mid) {LRUNode* l = head->pre;LRUNode* r = head;mid->pre = l;mid->next = r;l->next = mid;r->pre = mid;}void deletetail() {LRUNode* l = tail;LRUNode* mid = tail->next;LRUNode* r = tail->next->next;l->next = r;r->pre = l;mp.erase(mid->key);delete mid;}void addhead(int& key, int& value) {LRUNode* l = head->pre;LRUNode* r = head;LRUNode* mid = new LRUNode(key, value, l, r);l->next = mid;r->pre = mid;mp[key] = mid;}private:int n, cnt;LRUNode* head = new LRUNode(100, 100);LRUNode* tail = new LRUNode(-1, -1, nullptr, head);unordered_map<int, LRUNode*> mp;
};/*** Your LRUCache object will be instantiated and called as such:* LRUCache* obj = new LRUCache(capacity);* int param_1 = obj->get(key);* obj->put(key,value);*/

用C++中STL的list实现

class LRUCache {public:LRUCache(int capacity):_capacity(capacity){   }int get(int key) {auto it = lru_ump.find(key);//如果没有找到if(it == lru_ump.end()){return -1;}else {//根据key获取他在list中对迭代器pair<int,int> temp = *lru_ump[key];//删除已存在对keylru_list.erase(lru_ump[key]);//重新插入key到list的前面lru_list.push_front(temp);//更新key在ump中的位置lru_ump[key] = lru_list.begin();//返回valuereturn temp.second;}}void put(int key, int value) {auto it = lru_ump.find(key);//如果没找到了if(it == lru_ump.end()){//如果list已经满了，需要淘汰keyif(lru_list.size() == _capacity){//取list中最后一个auto temp = lru_list.back();//分别在ump和list中删除lru_ump.erase(temp.first);lru_list.pop_back();}//插入新数据key在list的前面lru_list.push_front(pair<int ,int >(key,value));//ump中插入新数据key在list中的位置迭代器lru_ump[key] = lru_list.begin();}//找到了，就换到list的队头else {//删除list的旧位置值lru_list.erase(lru_ump[key]);//list中插入在list的头部lru_list.push_front(make_pair(key,value));//更新在ump中的迭代器值lru_ump[key] = lru_list.begin();}}private:int _capacity;//哈希表，注意第二个是list的迭代器，代表key在list中的位置unordered_map<int,list<pair<int ,int>>::iterator> lru_ump;//双向链表list< pair<int ,int>>lru_list;
};