LeetCode 面试题 16.25. LRU 缓存

设计和构建一个“最近最少使用”缓存，该缓存会删除最近最少使用的项目。缓存应该从键映射到值(允许你插入和检索特定键对应的值)，并在初始化时指定最大容量。当缓存被填满时，它应该删除最近最少使用的项目。

它应该支持以下操作： 获取数据 get 和 写入数据 put 。

获取数据 get(key) - 如果密钥 (key) 存在于缓存中，则获取密钥的值（总是正数），否则返回 -1。
写入数据 put(key, value) - 如果密钥不存在，则写入其数据值。当缓存容量达到上限时，它应该在写入新数据之前删除最近最少使用的数据值，从而为新的数据值留出空间。

示例:

LRUCache cache = new LRUCache( 2 /* 缓存容量 */ );

cache.put(1, 1);
cache.put(2, 2);
cache.get(1);       // 返回  1
cache.put(3, 3);    // 该操作会使得密钥 2 作废
cache.get(2);       // 返回 -1 (未找到)
cache.put(4, 4);    // 该操作会使得密钥 1 作废
cache.get(1);       // 返回 -1 (未找到)
cache.get(3);       // 返回  3
cache.get(4);       // 返回  4

双向链表+HashMap

双向链表头部存储最近被使用的数据，尾部存储最久未使用的数据。
插入数据时，插入到链表头部，容量满时，删除尾部数据。

class LRUCache {
    // 双向链表
    class DLinkedNode {
        int key;
        int value;
        DLinkedNode next;
        DLinkedNode prev;

        public DLinkedNode() {}
        public DLinkedNode(int key, int value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
    }

    private Map<Integer, DLinkedNode> cache = new HashMap<>();
    private int capacity;
    private int size;
    private DLinkedNode head, tail;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.size = 0;
        this.capacity = capacity;
        head = new DLinkedNode();
        tail = new DLinkedNode();
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }
    
    public int get(int key) {
        DLinkedNode node = cache.get(key);
        if (node == null) return -1;
        // key 存在，将该节点移动到链表头部，表示最近被访问
        moveToHead(node);
        return node.value;
    }
    
    public void put(int key, int value) {
        DLinkedNode node = cache.get(key);
        if (node == null) {
            // key 不存在，创建新节点插入到表头
            DLinkedNode newNode = new DLinkedNode(key, value);
            cache.put(key, newNode);
            addToHead(newNode);
            size++;
            if (size > capacity) {    // 超出容量，删除尾部节点（最久未访问）
                DLinkedNode tail = removeTail();
                cache.remove(tail.key);
                size--;
            }
        } else {
            // key 存在，更新数据，移动到表头
            node.value = value;
            moveToHead(node);
        }
    }

    // 将节点移动到链表头部
    private void moveToHead(DLinkedNode node) {
        removeNode(node);
        addToHead(node);
    }

    // 删除节点
    private void removeNode(DLinkedNode node) {
        node.prev.next = node.next;
        node.next.prev = node.prev;
    }

    // 在链表头部插入节点
    private void addToHead(DLinkedNode node) {
        node.next = head.next;
        head.next.prev = node;
        node.prev = head;
        head.next = node;
    }

    // 删除链表尾部节点
    private DLinkedNode removeTail() {
        DLinkedNode node = tail.prev;
        removeNode(node);
        return node;
    }

}