左神算法进阶班6_1LFU缓存实现

Posted 2022-02-10 zzw1024

【题目】

LFU也是一个著名的缓存算法,自行了解之后实现LFU中的set 和 get

要求：两个方法的时间复杂度都为O(1)

【题解】

LFU算法与LRU算法很像

但LRU是最新使用的排在使用频率最前面，也就是LRU是通过使用时间进行排序，

使用时间越新，其使用频率越高，而使用时间越久，其使用频率越低，即当空间满时，被删除的概率最大

而LFU是根据使用次数来算使用频率的，使用次数越多，其使用频率越高，使用次数越少，使用频率越低，当空间满时越容易被删除

同样，使用hash_map表和双向链表进行存储；

hash表存储关键词与双向链表的节点地址

而双向链表的数据存储的是使用次数，每种使用次数仍然是一个双向链表，

当put一个数据，则在使用次数为1的链表节点下的链表中按put顺序依次存储

当每get一个数据，若存在，而在相对应使用次数的链表节点中拿出，放在下一个链表节点下，即使用次数 + 1的节点

记住，在相同的使用次数中，是按照使用时间顺序进行存放的，

所以，当空间满时，首先删除大链表的头中的头，即使用次数为1的节点中的头结点【最早放入】，若使用次数都一样，同样是删除该使用次数节点中链表的 头节点

所以，数据存放于链表尾部，数据删除于链表的头部

还有，当某个链表节点为空，则删除，某个链表节点不存在，则新建

比如，当使用次数为2的节点中无数据，则删出该节点，

当有一个新数据的使用次数为2时，发现不存在使用次数为2的节点，那么就应该新建一个节点

 

【代码】

　　

  1 #pragma once
  2 #include <iostream>
  3 #include <hash_map>
  4 
  5 using namespace std;
  6 
  7 struct Node//子链表
  8 
  9     int key;
 10     int val;
 11     int num;
 12     Node* next;
 13     Node* pre;
 14     Node(int a, int b, int n) :key(a), val(b), num(n), next(nullptr), pre(nullptr) 
 15 ;
 16 
 17 struct NodeList//主链表
 18 
 19     int num;
 20     Node* head;//子链表的头节点
 21     Node* tail;//子链表的尾结点
 22     NodeList* next;
 23     NodeList* pre;
 24     NodeList(int a) :num(a), next(nullptr), pre(nullptr)
 25     
 26         head = new Node(0, 0, a);//新建一个子链表的头结点
 27         tail = head;
 28     
 29 ;
 30 
 31 class LFU
 32 
 33 public:
 34     LFU(int size) :capacity(size) 
 35     void set(int key, int value);
 36     int get(int key);
 37     
 38 private:
 39     void getNode(Node*& p, NodeList*& h);//将节点从子链表中取出
 40     void moveNode(Node*& p, NodeList*& h);//将节点向后移动
 41     void deleteNode(int num, NodeList*& h);//删除子链表
 42     void createNode(Node*p, NodeList*& h);//新建子链表,并插入在主链中
 43     void updataNode(Node*& p, NodeList*& h);//更新函数的使用次数
 44     void deleteData();//容量不足需要删除
 45 
 46 private:
 47     int capacity;
 48     NodeList* headList = new NodeList(0);//主链表的头结点
 49     hash_map<int, Node*>dataMap;//key  <——>  真实数据节点地址
 50     hash_map<int, NodeList*>headMap;//次数 <——>  链表头节点地址
 51 ;
 52 
 53 void LFU::set(int key, int value)
 54 
 55     if (this->capacity == 0)
 56         return;
 57     if (dataMap.find(key) != dataMap.end())//已经存在
 58     
 59         Node* p = dataMap[key];//找到数据节点
 60         NodeList* h = headMap[p->num];//找到头链表节点        
 61         p->val = value;
 62 
 63         updataNode(p, h);//更新数据的使用次数        
 64     
 65     else//如果不存在，则新建
 66     
 67         if (dataMap.size() >= this->capacity)//容量不足，需要删除数据
 68             deleteData();
 69 
 70         Node* p = new Node(key, value, 1);//使用用一次
 71         dataMap[key] = p;//记录
 72 
 73         //将新建节点插入使用1次的子链表中
 74         if (headMap.find(1) == headMap.end())//当使用1次的子链表不存在
 75             createNode(p, headList);
 76         else
 77             moveNode(p, headMap[1]);//插入在使用次数在1的子链表中
 78     
 79 
 80 
 81 int LFU::get(int key)
 82 
 83     if (dataMap.find(key) == dataMap.end())//数据不存在
 84         return -1;
 85     Node* p = dataMap[key];//找到数据节点
 86     NodeList* h = headMap[p->num];
 87     updataNode(p, h);
 88 
 89     return p->val;
 90 
 91 
 92 void LFU::getNode(Node*& p, NodeList*& h)//将节点从子链表中取出
 93 
 94     p->pre->next = p->next;
 95     if (p->next == nullptr)
 96         h->tail = p->pre;
 97     else
 98         p->next->pre = p->pre;
 99 
100 
101 void LFU::moveNode(Node*& p, NodeList*& q)//将节点向后移动
102 
103     p->next = q->tail->next;
104     q->tail->next = p;
105     p->pre = q->tail;
106     q->tail = p;
107 
108 
109 void LFU::deleteNode(int num, NodeList*& h)//删除子链表
110 
111     headMap.erase(num);//从map中删除
112     h->pre->next = h->next;
113     if (h->next != nullptr)
114         h->next->pre = h->pre;
115     delete h;
116     h = nullptr;
117 
118 
119 
120 void LFU::createNode(Node*p, NodeList*& h)//新建子链表,并插入在主链中
121 
122     NodeList* q = new NodeList(p->num);//新建一个子链表
123     headMap[p->num] = q;//保存对应的地址
124 
125     moveNode(p, q);////将节点放入子链表中        
126 
127     //将新子链插入主链表中
128     q->next = h->next;
129     if (h->next != nullptr)
130         h->next->pre = q;
131     h->next = q;
132     q->pre = h;
133 
134 
135 void LFU::updataNode(Node*& p, NodeList*& h)//更新函数的使用次数
136 
137     int num = p->num;
138     p->num++;//使用次数+1
139 
140     //将p从子链表中取出
141     getNode(p, h);
142 
143     //将该数据向后面移动
144     if (headMap.find(p->num) == headMap.end())//不存在num+1的节点,那么新建
145         createNode(p, h);
146     else
147         moveNode(p, headMap[p->num]);////将节点放入子链表中    
148 
149     //如果该子链表为空，将该子链表删除,并从map中删除
150     if (h->head == h->tail)
151         deleteNode(num, h);
152 
153 
154 void LFU::deleteData()//容量不足需要删除
155 
156     NodeList* p = headList->next;
157     Node* q = p->head->next;//删除子链表排在最前面的数据
158     if (q == p->tail)//要删除的数据就是最后一个数据，则删除该节点和子链表
159         deleteNode(q->num, p);
160     else
161     
162         p->head->next = q->next;
163         q->next->pre = p->head;
164     
165     dataMap.erase(q->key);//删除记录
166     delete q;//删除
167     q = nullptr;
168 
169 
170 
171 void Test()
172 
173     LFU* f = new LFU(3);
174     f->set(1, 11);
175     f->set(2, 22);
176     f->set(3, 33);
177     cout << f->get(4) << endl;
178     f->set(4, 44);
179     cout << f->get(1) << endl;
180     cout << f->get(2) << endl;
181     cout << f->get(2) << endl;
182     cout << f->get(2) << endl;
183     cout << f->get(3) << endl;
184     cout << f->get(3) << endl;
185     cout << f->get(4) << endl;
186     cout << f->get(4) << endl;
187     cout << f->get(4) << endl;
188     f->set(5, 55);
189     cout << f->get(3) << endl;
190     cout << f->get(5) << endl;
191 
192