题面

请你设计并实现一个满足 LRU (最近最少使用) 缓存约束的数据结构。

实现 LRUCache 类：

LRUCache(int capacity) 以正整数作为容量 capacity 初始化 LRU 缓存
int get(int key) 如果关键字 key 存在于缓存中，则返回关键字的值，否则返回 -1 。
void put(int key, int value) 如果关键字 key 已经存在，则变更其数据值 value ；如果不存在，则向缓存中插入该组 key-value 。如果插入操作导致关键字数量超过 capacity ，则应该逐出最久未使用的关键字。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

示例：

输入 ["LRUCache", "put", "put", "get", "put", "get", "put", "get", "get", "get"] [[2], [1, 1], [2, 2], [1], [3, 3], [2], [4, 4], [1], [3], [4]] 输出 [null, null, null, 1, null, -1, null, -1, 3, 4]

解释 LRUCache lRUCache = new LRUCache(2); lRUCache.put(1, 1); // 缓存是 {1=1} lRUCache.put(2, 2); // 缓存是 {1=1, 2=2} lRUCache.get(1); // 返回 1 lRUCache.put(3, 3); // 该操作会使得关键字 2 作废，缓存是 {1=1, 3=3} lRUCache.get(2); // 返回 -1 (未找到) lRUCache.put(4, 4); // 该操作会使得关键字 1 作废，缓存是 {4=4, 3=3} lRUCache.get(1); // 返回 -1 (未找到) lRUCache.get(3); // 返回 3 lRUCache.get(4); // 返回 4

提示：

1 <= capacity <= 3000
0 <= key <= 10000
0 <= value <= 105 最多调用 2 105 次 get 和 put

分析

要想在 $O(1)$ 时间内运行 get 函数，那么需要使用哈希表来维护每个 key 对应的 value
要想保存最久未使用的状态，可以使用链表，头节点即为需要逐出的节点
因此需要处理的情况为
- 当运行 get 函数时，将 key 对应的节点移至尾部
- 当运行 put 函数时
  - 如果 key 对应的节点不存在，那么新建一个节点，然后将其加入到尾部
  - 如果 key 对应的节点已经存在，那么直接将其移动到尾部
  - 如果加入新节点后，缓存容量不够，那么需要移除头节点
两个关键函数
- 从链表中摘掉某个节点（不一定释放内存）
- 在链表末尾加入一个新节点
- 那么将已经存在的节点移至尾部就变成两个操作，先摘掉该节点，然后在尾部加入该节点

代码实现


struct DListNode {
    int key;
    int val;
    DListNode* pre;
    DListNode* next;
    DListNode() : val(0), pre(nullptr), next(nullptr) {}
    DListNode(int key, int val)
        : key(key), val(val), pre(nullptr), next(nullptr) {}
    DListNode(int key, int val, DListNode* pre, DListNode* next)
        : key(key), val(val), pre(pre), next(next) {}
};
class LRUCache {
private:
    std::unordered_map<int, DListNode*> key2Node;
    DListNode* head = nullptr;
    DListNode* tail = nullptr;
    int capacity;

public:
    LRUCache(int _c) { this->capacity = _c; }

    void removeNode(DListNode* node) {
        if (node == nullptr)
            return;

        if (node->pre != nullptr) {
            node->pre->next = node->next;
        } else {
            head = node->next;
        }

        if (node->next != nullptr) {
            node->next->pre = node->pre;
        } else {
            tail = node->pre;
        }

        node->pre = nullptr;
        node->next = nullptr;
    }

    void addToTail(DListNode* node) {
        if (node == nullptr)
            return;
        if (tail == nullptr) {
            head = tail = node;
        } else {
            node->pre = tail;
            tail->next = node;
            tail = node;
        }
    }

    int get(int key) {
        if (key2Node.find(key) == key2Node.end())
            return -1;
        DListNode* res = key2Node[key];
        removeNode(res);
        addToTail(res);
        return res->val;
    }

    void put(int key, int value) {
        if (key2Node.find(key) == key2Node.end()) {
            DListNode* node = new DListNode(key, value);
            key2Node[key] = node;
            addToTail(node);
            if (key2Node.size() > capacity) {
                DListNode* toRemove = head;
                key2Node.erase(toRemove->key);
                removeNode(toRemove);
                delete toRemove;
            }
        } else {
            DListNode* node = key2Node[key];
            node->val = value;
            removeNode(node);
            addToTail(node);
        }
    }

    ~LRUCache() {
        DListNode* curr = head;
        while (curr != nullptr) {
            DListNode* next = curr->next;
            delete curr;
            curr = next;
        }
        key2Node.clear();
    }
};

/**
 * Your LRUCache object will be instantiated and called as such:
 * LRUCache* obj = new LRUCache(capacity);
 * int param_1 = obj->get(key);
 * obj->put(key,value);
 */

下一步优化：将 head 和 tail 改造成「一个 dummy 哨兵节点的循环双向链表」，这样可以消除所有边界判断
- 只有一个 dummy
- dummy->next 是最久未使用
- dummy->pre 是最近使用
- 空链表时：dummy->next = dummy，dummy->pre = dummy

代码实现

#include <unordered_map>

struct DListNode {
    int key;
    int val;
    DListNode* pre;
    DListNode* next;

    DListNode() : key(0), val(0), pre(nullptr), next(nullptr) {}
    DListNode(int k, int v) : key(k), val(v), pre(nullptr), next(nullptr) {}
};

class LRUCache {
private:
    std::unordered_map<int, DListNode*> key2Node;
    DListNode* dummy;
    int capacity;

    void removeNode(DListNode* node) {
        node->pre->next = node->next;
        node->next->pre = node->pre;
    }

    void addToTail(DListNode* node) {
        node->pre = dummy->pre;
        node->next = dummy;
        dummy->pre->next = node;
        dummy->pre = node;
    }

public:
    LRUCache(int _capacity) : capacity(_capacity) {
        dummy = new DListNode();
        dummy->next = dummy;
        dummy->pre = dummy;
    }

    int get(int key) {
        auto it = key2Node.find(key);
        if (it == key2Node.end())
            return -1;

        DListNode* node = it->second;
        removeNode(node);
        addToTail(node);
        return node->val;
    }

    void put(int key, int value) {
        auto it = key2Node.find(key);

        if (it == key2Node.end()) {
            DListNode* node = new DListNode(key, value);
            key2Node[key] = node;
            addToTail(node);

            if (key2Node.size() > capacity) {
                DListNode* toRemove = dummy->next;
                key2Node.erase(toRemove->key);
                removeNode(toRemove);
                delete toRemove;
            }
        } else {
            DListNode* node = it->second;
            node->val = value;
            removeNode(node);
            addToTail(node);
        }
    }

    ~LRUCache() {
        DListNode* curr = dummy->next;
        while (curr != dummy) {
            DListNode* next = curr->next;
            delete curr;
            curr = next;
        }
        delete dummy;
    }
};

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