LRU算法Python实现

Posted 2021-02-28 AlwaysBeta

LRU 算法描述

LRU 算法实际上是让你设计数据结构：首先要接收一个 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) 方法存入键值对，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 1
cache.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

 

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：

 

 需要删除操作。删除一个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)。

\'\'\'
方法一
class LRUCache:
    #@param capacity,an integer
    def __init__(self,capacity):
        self.cache ={}
        self.used_list=[]
        self.capacity = capacity
    #@return an integer
    def get(self,key):
        if key in self.cache:
            #使用一个list来记录访问的顺序，最先访问的放在list的前面，最后访问的放在list的后面，故cache已满时，则删除list[0]，然后插入新项；
            if key != self.used_list[-1]:
                self.used_list.remove(key)
                self.used_list.append(key)
            return self.cache[key]
        else:
            return -1
    def put(self,key,value):
        if key in self.cache:
            self.used_list.remove(key)
        elif len(self.cache) == self.capacity:
            self.cache.pop(self.used_list.pop(0))
        self.used_list.append(key)
        self.cache[key] = value
\'\'\'
 
#方法二：
import collections
 
#基于orderedDict实现
class LRUCache(collections.OrderedDict):
    \'\'\'
    function:利用collection.OrdereDict数据类型实现最近最少使用的算法
    OrdereDict有个特殊的方法popitem(Last=False)时则实现队列，弹出最先插入的元素
    而当Last=True则实现堆栈方法，弹出的是最近插入的那个元素。
    实现了两个方法：get(key)取出键中对应的值，若没有返回None
    set(key,value)更具LRU特性添加元素
    \'\'\'
    def __init__(self,size=5):
        self.size = size
        self.cache = collections.OrderedDict()#有序字典
 
    def get(self,key):
        if key in self.cache.keys():
            #因为在访问的同时还要记录访问的次数（顺序）
            value = self.cache.pop(key)
            #保证最近访问的永远在list的最后面
            self.cache[key] = value
            return value
        else:
            value = None
            return value
 
    def put(self,key,value):
        if key in self.cache.keys():
            self.cache.pop(key)
            self.cache[key] = value
        elif self.size == len(self.cache):
            self.cache.popitem(last=False)
            self.cache[key] = value
        else:
            self.cache[key] = value
 
if __name__ == \'__main__\':
    test = LRUCache()
    test.put(\'a\',1)
    test.put(\'b\',2)
    test.put(\'c\',3)
    test.put(\'d\',4)
    test.put(\'e\',5)
    # test.put(\'f\',6)
    print (test.get(\'a\'))

 

　　参考：https://blog.csdn.net/qq_35810838/article/details/83035759

                    https://labuladong.gitbook.io/algo/gao-pin-mian-shi-xi-lie/lru-suan-fa