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LRU替换算法 - 哈希表、双链表

lru替换算法

题目描述

编程模拟实现利用LRU(最近最久未使用)替换算法的缓存.

题目分析

LRU算法: 即最近最久未使用算法.

假设最上方为最近使用的元素:
3			  4			    5
4 -> get(4) -> 3 -> set(5) -> 4
2			  2			    3
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  • 4

数据结构选取HashMap, 双链表.

HashMap: 记录 键值对:<key, Node<key, value>>.

链表: 记录Node<key, value>

这里使用HashMap, 可以将查找的时间复杂度降低为O(1).

代码

package cn.geek51.nowcoder.class01;
/**
 * 最近最久未使用算法(LRU)实现
 * HashMap + 双向链表
 */

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;

class Node<K, V> {
    public Node<K, V> last;
    public Node<K, V> next;
    public K key;
    public V value;
    public Node(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.last = null;
        this.next = null;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "key:" + this.key + " value:" + this.value;
    }
}
class MyCache<K, V> {
    private int capacity = 0;
    private HashMap<K, Node<K, V>> keyNodeMap;
    private NodeDoubleLinkedList<K, V> nodeList;
    public MyCache(int capacity) {
        this.nodeList = new NodeDoubleLinkedList<>();
        this.keyNodeMap = new HashMap<>();
        this.capacity = capacity;
    }

    // 获取缓存中元素值
    public V get(K key) {
        if (this.keyNodeMap.containsKey(key)) {
            Node<K, V> node = this.keyNodeMap.get(key);
            this.nodeList.moveToLastNode(node);
            return node.value;
        } else {
            return null;
        }
    }

    public void set(K key, V value) {
        if (this.keyNodeMap.containsKey(key)) {
            // 缓存中已经存在
            Node<K, V> node = this.keyNodeMap.get(key);
            node.value = value;
            this.nodeList.moveToLastNode(node);
        } else {
            Node<K, V> newNode = new Node<>(key, value);
            this.keyNodeMap.put(key, newNode);
            this.nodeList.addNode(newNode);
            // 考虑替换
            if (this.keyNodeMap.size() == capacity + 1) {
                Node<K, V> removeNode = this.nodeList.removeHead();
                this.keyNodeMap.remove(removeNode.key);
            }
        }
    }

    // 删除缓存元素
    public Node<K, V> del(K key) {
        if (key == null) return null;
        if (this.keyNodeMap.containsKey(key)) {
            Node<K, V> removeNode = this.keyNodeMap.get(key);
            this.keyNodeMap.remove(key);
            this.nodeList.deleteNode(removeNode);
            return removeNode;
        } else {
            return null;
        }
    }

    // 获取所有节点的数组
    public List<Node<K, V>> all() {
        return this.nodeList.getAllNode();
    }
}

class NodeDoubleLinkedList<K, V> {

    public Node<K, V> head;
    public Node<K, V> tail;

    public NodeDoubleLinkedList() {
        this.head = null;
        this.tail = null;
    }

    public void addNode(Node<K, V> newNode) {
        if (newNode == null) return;
        // 链表中无节点
        if (this.head == null) {
            this.head = newNode;
            this.tail = newNode;
        } else {
            // 链表中有节点, 添加到尾部
            this.tail.next = newNode;
            newNode.last = this.tail;
            newNode.next = null;
            this.tail = newNode;
        }
    }

    // 删除指定节点
    public void deleteNode(Node<K, V> removeNode) {
        if (removeNode == null) return;
        if (head == removeNode) {
            // 如果是头节点
            this.head = removeNode.next;
            head.last = null;
        } else if (tail == removeNode) {
            // 如果是尾节点
            this.tail = this.tail.last;
            this.tail.next = null;
            removeNode.last = null;
            removeNode.next = null;
        } else {
            removeNode.last.next = removeNode.next;
            removeNode.next.last = removeNode.last;
            removeNode.last = null;
            removeNode.next = null;
        }

    }

    // 移动元素到链表尾部, 操作已经存在缓存中的元素时触发
    public void moveToLastNode(Node<K, V> node) {
        if (this.tail == node) return;
        // 原来是头部元素
        // 先断开与原链表的连接
        if (this.head == node) {
            this.head = this.head.next;
            this.head.last = null;
        } else {
            node.last.next = node.next;
            node.next.last = node.last;
        }
        this.tail.next = node;
        node.last = tail;
        tail = node;
    }

    // 删除
    public Node<K, V> removeHead() {
        // 链表为空
        if (this.head == null) return null;
        // 获取头部元素
        Node<K, V> res = head;
        if (this.head == this.tail) {
            this.head = null;
            this.tail = null;
        } else {
            // 多于1个元素
            this.head = res.next;
            res.next = null;
            this.head.last = null;
        }
        return res;
    }

    // 获取所有元素
    public List<Node<K, V>> getAllNode() {
        List<Node<K, V>> list = new ArrayList<>();
        Node<K, V> t = tail;
        while (t != null) {
            list.add(t);
            t = t.last;
        }
        return list;
    }
}

public class LeastRecentlyUsedCache {
    public static void main(String[] args) {
        MyCache<String, Integer> cache = new MyCache<>(3);
        cache.set("A", 3);
        cache.set("B", 4);
        cache.set("C", 5);
        cache.set("D", 5);
        cache.set("B", 2);
        cache.set("C", 5);
        cache.del("C");
        cache.set("A", 5);
        List<Node<String, Integer>> nodeList = cache.all();
        for (Node node : nodeList) {
            System.out.println(node);
        }
    }
}
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