LeetCode 热题 HOT 100 （018/100）【宇宙最简单版】

【链表】No. 0146 LRU缓存【中等】👉力扣对应题目指路

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⭐ 题目描述：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 value
    • 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
  • 【难点🔥】函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行

🔥 思路：哈希表 + 双向链表

• 因为要根据使用的热度频繁调整存储，所以选用双向链表
  • 本文采用的顺序为：“最近使用的” 放入尾部 tail；“长期未用的” 挤到头部 head
• 为进一步满足访问 get 的复杂度要求，使用哈希表存储 <key，key 其对应的链表节点>
  • 哈希表的使用可以在 O(1) 时间内，通过 key 找到值 val

• 示例： 初始化 - put(1,1) - put(2,2) - get(1) - put(3, 3)

  1. 初始化 -------------------------------------------------------------------------------------------------
  2. put(1,1) -------------------------------------------------------------------------------------------------
  3. put(2,2) -------------------------------------------------------------------------------------------------
  4. get(1) --------------------------------------------------------------------------------------------------
  5. put(3, 3) -------------------------------------------------------------------------------------------------- ，

⭐⭐⭐ 题目准备之双向链表插入、删除元素: 一定要先掌握双向链表插入、删除元素 ❗❗❗ 步骤中用 🍀 重点标记出了~

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参考如上思路，给出详细步骤如下：

• 步骤一⭐编写 LRUCache 的 __init__
  • 初始化容量 self.capacity 和当前大小 self.size
  • 初始化双向链表的 self.head, tail
    • 不要忘记链接好 self.head, tail：self.head.next = self.tail；self.tail.last = self.head
      
  • 初始化所需的哈希表 self.dict
• 步骤二⭐编写 LRUCache 的 get: 如果关键字 key 存在于缓存中，则返回关键字的值 value；否则返回 -1
  • 通过哈希表的键来进行逻辑判断 key 是否不存在：if not key in self.dict.keys()
  • 存在的话，将对应节点移动至链表尾部并返回关键字的值 value
    • “短路当前节点”【🍀涉及到两个节点 cur.last, cur.next，共更改两条箭头指向】：当前节点的 last 和 next 链接
    • “重连当前节点”【🍀涉及到三个节点 tail.last, cur, tail，共更改四条箭头指向】：指向好当前节点的 last 和 next
    • 返回 get 结果
• 步骤三⭐编写 LRUCache 的 put
  • 情况一：如果关键字 key 已经存在，则变更其数据值 value
    • 记得操作一次 get 将改被访问的元素移动到 tail
  • 情况一：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
    • 根据 key-value 建立新链表节点 cur 并插入队尾 【🍀涉及到三个节点 tail.last, cur, tail，共更改四条箭头指向】

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next_node=None, last_node=None):
        self.val = val
        self.next = next_node
        self.last = last_node

class LRUCache:
    def __init__(self, capacity: int):  # --------------------- step 1     
        # ---------------------------------------------------- step 1.1
        self.capacity = capacity
        self.size = 0
		# ---------------------------------------------------- step 1.2
        self.head = ListNode()
        self.tail = ListNode()
        self.head.next = self.tail
        self.tail.last = self.head
		# ---------------------------------------------------- step 1.3
        self.dict = {}


    def get(self, key: int) -> int:  # ------------------------ step 2     
        if not key in self.dict.keys():  # ------------------- step 2.1
            return -1
		# ------------------------------------------------- step 2.2.1
        cur = self.dict[key]
        cur.last.next = cur.next
        cur.next.last = cur.last
		# ------------------------------------------------- step 2.2.2
        cur.last = self.tail.last
        cur.next = self.tail
        self.tail.last.next = cur
        self.tail.last = cur
		# ------------------------------------------------- step 2.2.3
        return self.dict[key].val[1]

    def remove_head(self):
        self.head.next = self.head.next.next
        self.head.next.last = self.head

    def put(self, key: int, value: int) -> None:  # ---------- step 3   
    	# --------------------------------------------------- step 3.1
        if key in self.dict.keys():
            self.dict[key].val = [key, value]
            self.get(key)
            return
        #------------------------------------------------- step 3.2.1
        self.size += 1
        if self.size > self.capacity: 
            self.dict.pop(self.head.next.val[0])
            self.remove_head()
            self.size -= 1
		#------------------------------------------------- step 3.2.2
        cur = ListNode([key, value], next_node=self.tail, last_node=self.tail.last)
        self.dict[cur.val[0]] = cur

        self.tail.last.next = cur
        self.tail.last = cur 

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