leetcode困难460LFU 缓存

Posted 2023-02-22 qq_40707462

请你为 最不经常使用（LFU）缓存算法设计并实现数据结构。

实现 LFUCache 类：

LFUCache(int capacity) - 用数据结构的容量 capacity 初始化对象

int get(int key) - 如果键 key 存在于缓存中，则获取键的值，否则返回 -1 。

void put(int key, int value) - 如果键 key 已存在，则变更其值；如果键不存在，请插入键值对。当缓存达到其容量 capacity 时，则应该在插入新项之前，移除最不经常使用的项。在此问题中，当存在平局（即两个或更多个键具有相同使用频率）时，应该去除 最近最久未使用 的键。
为了确定最不常使用的键，可以为缓存中的每个键维护一个 使用计数器 。使用计数最小的键是最久未使用的键。

当一个键首次插入到缓存中时，它的使用计数器被设置为 1 (由于 put 操作)。对缓存中的键执行 get 或 put 操作，使用计数器的值将会递增。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

思路：
哈希+双向链表，链表里的node有三个属性（key, val, fre频率）

1. Map<Integer, Node> cache
2. Map<Integer, LinkedHashSet>，每个频次对应一个双向链表，为了相同频率时取出最久未使用的
3. 每次get 、put 时，重新梳理链表，把这个key从原频率的链表移除，加入到新频率
4. 维护当前最小频率min，缓存满了，从频率为min的链表里删除

直接使用LinkedHashSet

class LFUCache 
    Map<Integer, Node> cache;  //缓存的内容
    Map<Integer, LinkedHashSet<Node>> freqMap; //每个频次对应的双向链表
    int size;
    int capacity;
    int min; // 存储当前最小频次

    public LFUCache(int capacity) 
        cache = new HashMap<> (capacity);
        freqMap = new HashMap<>();
        this.capacity = capacity;
    
    
    public int get(int key) 
        Node node = cache.get(key);
        if (node == null) 
            return -1;
        
        freqInc(node);
        return node.value;
    
    
    public void put(int key, int value) 
        if (capacity == 0) 
            return;
        
        Node node = cache.get(key);
        if (node != null) 
            node.value = value;
            freqInc(node);
         else 
            if (size == capacity) 
                Node deadNode = removeNode();
                cache.remove(deadNode.key);
                size--;
            
            Node newNode = new Node(key, value);
            cache.put(key, newNode);
            addNode(newNode);
            size++;     
        
    

    void freqInc(Node node) 
        // 从原freq对应的链表里移除, 并更新min
        int freq = node.freq;
        LinkedHashSet<Node> set = freqMap.get(freq);
        set.remove(node);
        if (freq == min && set.size() == 0)  
            min = freq + 1;
        
        // 加入新freq对应的链表
        node.freq++;
        LinkedHashSet<Node> newSet = freqMap.get(freq + 1);
        if (newSet == null) 
            newSet = new LinkedHashSet<>();
            freqMap.put(freq + 1, newSet);
        
        newSet.add(node);
    

    void addNode(Node node) 
        LinkedHashSet<Node> set = freqMap.get(1);
        if (set == null) 
            set = new LinkedHashSet<>();
            freqMap.put(1, set);
         
        set.add(node); 
        min = 1;
    

    Node removeNode() 
        LinkedHashSet<Node> set = freqMap.get(min);
        Node deadNode = set.iterator().next();
        set.remove(deadNode);
        return deadNode;
    


class Node 
    int key;
    int value;
    int freq = 1;

    public Node() 
    
    public Node(int key, int value) 
        this.key = key;
        this.value = value;
    

自定义双向链表

class LFUCache 
    Map<Integer, Node> cache; // 存储缓存的内容
    Map<Integer, DoublyLinkedList> freqMap; // 存储每个频次对应的双向链表
    int size;
    int capacity;
    int min; // 存储当前最小频次

    public LFUCache(int capacity) 
        cache = new HashMap<> (capacity);
        freqMap = new HashMap<>();
        this.capacity = capacity;
    
    
    public int get(int key) 
        Node node = cache.get(key);
        if (node == null) 
            return -1;
        
        freqInc(node);
        return node.value;
    
    
    public void put(int key, int value) 
        if (capacity == 0) 
            return;
        
        Node node = cache.get(key);
        if (node != null) 
            node.value = value;
            freqInc(node);
         else 
            if (size == capacity) 
                DoublyLinkedList minFreqLinkedList = freqMap.get(min);
                cache.remove(minFreqLinkedList.tail.pre.key);
                minFreqLinkedList.removeNode(minFreqLinkedList.tail.pre); // 这里不需要维护min, 因为下面add了newNode后min肯定是1.
                size--;
            
            Node newNode = new Node(key, value);
            cache.put(key, newNode);
            DoublyLinkedList linkedList = freqMap.get(1);
            if (linkedList == null) 
                linkedList = new DoublyLinkedList();
                freqMap.put(1, linkedList);
            
            linkedList.addNode(newNode);
            size++;  
            min = 1;   
        
    

    void freqInc(Node node) 
        // 从原freq对应的链表里移除, 并更新min
        int freq = node.freq;
        DoublyLinkedList linkedList = freqMap.get(freq);
        linkedList.removeNode(node);
        if (freq == min && linkedList.head.post == linkedList.tail)  
            min = freq + 1;
        
        // 加入新freq对应的链表
        node.freq++;
        linkedList = freqMap.get(freq + 1);
        if (linkedList == null) 
            linkedList = new DoublyLinkedList();
            freqMap.put(freq + 1, linkedList);
        
        linkedList.addNode(node);
    


class Node 
    int key;
    int value;
    int freq = 1;
    Node pre;
    Node post;

    public Node() 
    
    public Node(int key, int value) 
        this.key = key;
        this.value = value;
    


class DoublyLinkedList 
    Node head;
    Node tail;

    public DoublyLinkedList() 
        head = new Node();
        tail = new Node();
        head.post = tail;
        tail.pre = head;
    

    void removeNode(Node node) 
        node.pre.post = node.post;
        node.post.pre = node.pre;
    

    void addNode(Node node) 
        node.post = head.post;
        head.post.pre = node;
        head.post = node;
        node.pre = head;