姓名：谭旭东
学号：19011210016
嵌牛导读：经典算法——LRU、LFU
嵌牛鼻子：Java
嵌牛提问：内存排除算法
转载链接：http://182.92.190.128/archives/lrulfu（我的博客）
# 一、LRU算法
## 1. 题目描述
- Least Recently Used——最近最少使用
- 淘汰机制：按照上一次使用时间进行淘汰
- 题目出处：[面试题 16.25. LRU 缓存](https://leetcode-cn.com/problems/lru-cache-lcci/)
- 关键实现：
- capacity：容量，大于容量选择最久未使用资源淘汰
- put()：增加新资源
- get()：获取/使用资源，会更新资源使用状况
## 2. 思路
- 使用双端队列，久未使用的资源放在队首，新加入/新使用的资源放在队尾
- 淘汰时删除队首元素即可
- 数据结构
- HashMap：用于查询
- LinkedList：用于构建链表
## 3. 代码
### （1）使用JAVA中LinkedHashMap
- 细节：
- 删除元素时，使用迭代器获取队首元素
```java
// 1. 使用JAVA自带API：LinkedHashMap
class LRUCache {
int capacity;
Map<Integer, Integer> map;
public LRUCache(int capacity) {
this.capacity = capacity;
map = new LinkedHashMap<>();
}
public int get(int key) {
if (!map.containsKey(key)) {
return -1;
}
// 先删除旧的位置，再放入新位置
Integer value = map.remove(key);
map.put(key, value);
return value;
}
public void put(int key, int value) {
if (map.containsKey(key)) {
map.remove(key);
map.put(key, value);
return;
}
map.put(key, value);
// 超出capacity，删除最久没用的,利用迭代器删除第一个
if (map.size() > capacity) {
map.remove(map.entrySet().iterator().next().getKey());
}
}
}
```
### （2）自建数据结构：HashMap + LinkedList
- 代码细节：
- ① moveToTail功能单独封装，put和get中都需要调用
- ② 在put中调用get实现复用
```java
// 2. 自己构造 LinkedHashMap + LinkedList(双链表)
class LRUCache2 {
private int capacity;
private Map<Integer, ListNode> map;
private ListNode head;
private ListNode tail;
public LRUCache2(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.map = new HashMap<>();
this.head = new ListNode(-1, -1);
this.tail = new ListNode(-1, -1);
head.next = tail;
tail.pre = head;
}
public int get(int key) {
if (!map.containsKey(key))
return -1;
ListNode node = map.get(key);
deleteNode(node); // 链表中删除节点
moveToTail(node); // 节点移动到链表尾部
return node.val;
}
public void put(int key, int value) {
if (get(key) != -1) { // 已经存在，改变值：在get内部会移动到尾部
map.get(key).val = value;
return;
}
ListNode node = new ListNode(key, value);
map.put(key, node);
moveToTail(node); // 放到尾部去
if (map.size() > capacity) {
map.remove(head.next.key);
deleteNode(head.next);
}
}
private void moveToTail(ListNode node) {
node.next = tail;
node.pre = tail.pre;
tail.pre.next = node;
tail.pre = node;
}
private void deleteNode(ListNode node) {
node.pre.next = node.next;
node.next.pre = node.pre;
}
class ListNode {
int key;
int val;
ListNode pre;
ListNode next;
public ListNode(int key, int val) {
this.key = key;
this.val = val;
this.pre = null;
this.next = null;
}
}
}
```
# 二、LFU算法
## 1. 题目描述
- Least Frequently Used——最近使用频次最少
- 淘汰机制：
- ① 按照使用次数
- ② 如果使用次数相同，按照使用时间淘汰
- 题目出处：[LeetCode.460. LFU 缓存](https://leetcode-cn.com/problems/lfu-cache/)
- 关键实现：
- put()
- get()
## 2. 思路
- 数据结构：
- ① 第一张HashMap，为了查询资源
- ② 第二张HashMap，key值按照频次从小到大，value值为双向链表，保存了同频次的节点
## 3. 代码
```java
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* 自定义的LFU缓存类
*/
public class LFUCache {
/**
* 双链表中的链表节点对象
*/
protected static class Node{
//对应输入的key
private final int key;
//对应输入的value
private int value;
//被访问的频率
private int freq;
//指向前一个节点的指针
protected Node pre;
//指向后一个节点的指针
protected Node next;
public Node(int key, int value, int freq) {
this.key = key;
this.value = value;
this.freq = freq;
}
public Node(int key, int value, int freq, Node pre, Node next) {
this.key = key;
this.value = value;
this.freq = freq;
this.pre = null;
this.next = null;
}
public void updateValue(int value) {
this.value = value;
}
public void incrFreq() {
++this.freq;
}
public int getKey() {
return this.key;
}
public int getValue() {
return this.value;
}
public int getFreq() {
return this.freq;
}
public static final Node createEmptyNode() {
return new Node(-1,-1,-1,null,null);
}
}
/**
* 自定义的双向链表类
*/
protected static class LinkedList {
//双向链表的头结点
private final Node head;
//双向链表的尾节点
private final Node tail;
public LinkedList() {
this.head = Node.createEmptyNode();
this.tail = Node.createEmptyNode();
this.head.next = this.tail;
this.tail.pre = this.head;
}
/**
* 将指定的节点插入到链表的第一个位置
* @param node 将要插入的节点
*/
public void insertFirst(Node node) {
if(node==null) {
throw new IllegalArgumentException();
}
node.next = this.head.next;
this.head.next.pre = node;
node.pre = this.head;
this.head.next = node;
}
/**
* 从链表中删除指定的节点
* @param node 将要删除的节点
*/
public void deleteNode(Node node) {
if(node==null) {
throw new IllegalArgumentException();
}
node.pre.next = node.next;
node.next.pre = node.pre;
node.pre = null;
node.next = null;
}
/**
* 从链表中获取最后一个节点
* @return 双向链表中的最后一个节点，如果是空链表则返回None
*/
public Node getLastNode() {
if(this.head.next==this.tail) {
return Node.createEmptyNode();
}
return this.tail.pre;
}
/**
* 判断链表是否为空，除了head和tail没有其他节点即为空链表
* @return 链表不空返回True，否则返回False
*/
public boolean isEmpty() {
return this.head.next==this.tail;
}
}
//key->Node 这种结构的哈希表
private final Map<Integer,Node> keyMap = new HashMap<Integer,Node>();
//freq->LinkedList 这种结构的哈希表
private final Map<Integer,LinkedList> freqMap = new HashMap<Integer,LinkedList>();
//缓存的最大容量
private final int capacity;
//记录缓存中最低频率
private int minFreq = 0;
public LFUCache(int capacity) {
// if(capacity<=0) {
// throw new IllegalArgumentException();
// }
this.capacity = capacity;
}
/**
* 获取一个元素，如果key不存在则返回-1，否则返回对应的value，同时更新被访问元素的频率
* @param key 要查找的关键字
* @return 如果没找到则返回-1，否则返回对应的value
*/
public int get(int key) {
if(!this.keyMap.containsKey(key)) {
return -1;
}
Node node = this.keyMap.get(key);
this.increment(node);
return node.getValue();
}
/**
* 插入指定的key和value，如果key存在则更新value，同时更新频率，
* 如果key不存并且缓存满了，则删除频率最低的元素，并插入新元素。否则，直接插入新元素
* @param key 要插入的关键字
* @param value 要插入的值
*/
public void put(int key, int value) {
if(this.keyMap.containsKey(key)) {
Node node = this.keyMap.get(key);
node.updateValue(value);
this.increment(node);
}
else {
if(this.capacity==0) {
return;
}
if(this.keyMap.size()==this.capacity) {
this.remoteMinFreqNode();
}
Node node = new Node(key,value,1);
this.increment(node,true);
this.keyMap.put(key, node);
}
}
/**
* 更新节点的访问频率
* @param node 要更新的节点
*/
private void increment(Node node) {
increment(node,false);
}
/**
* 更新节点的访问频率
* @param node 要更新的节点
* @param isNewNode 是否是新节点，新插入的节点和非新插入节点更新逻辑不同
*/
private void increment(Node node,boolean isNewNode) {
if(isNewNode) {
this.minFreq = 1;
this.insertToLinkedList(node);
}
else {
this.deleteNode(node);
node.incrFreq();
this.insertToLinkedList(node);
if(!this.freqMap.containsKey(this.minFreq)) {
++this.minFreq;
}
}
}
/**
* 根据节点的频率，插入到对应的LinkedList中，如果LinkedList不存在则创建
* @param node 将要插入到LinkedList的节点
*/
private void insertToLinkedList(Node node) {
if(!this.freqMap.containsKey(node.getFreq())) {
this.freqMap.put(node.getFreq(), new LinkedList());
}
LinkedList linkedList = this.freqMap.get(node.getFreq());
linkedList.insertFirst(node);
}
/**
* 删除指定的节点，如果节点删除后，对应的双链表为空，则从__freqMap中删除这个链表
* @param node 将要删除的节点
*/
private void deleteNode(Node node) {
LinkedList linkedList = this.freqMap.get(node.getFreq());
linkedList.deleteNode(node);
if(linkedList.isEmpty()) {
this.freqMap.remove(node.getFreq());
}
}
/**
* 删除频率最低的元素，从freqMap和keyMap中都要删除这个节点，
* 如果节点删除后对应的链表为空，则要从__freqMap中删除这个链表
*/
private void remoteMinFreqNode() {
LinkedList linkedList = this.freqMap.get(this.minFreq);
Node node = linkedList.getLastNode();
linkedList.deleteNode(node);
this.keyMap.remove(node.getKey());
if(linkedList.isEmpty()) {
this.freqMap.remove(node.getFreq());
}
}
}
```
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