LRU Cache（C++）

目录

1.什么是LRU Cache

2.LRU Cache的实现

3.LRU Cache的OJ

代码实现

---

1.什么是LRU Cache

LRU是Least Recently Used的缩写，意思是最近最少使用，它是一种Cache替换算法。 什么是 Cache？狭义的Cache指的是位于CPU和主存间的快速RAM， 通常它不像系统主存那样使用 DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术。 广义上的Cache指的是位于速度相差较大的两种硬件之间， 用于协调两者数据传输速度差异的结构。除了CPU与主存之间有Cache， 内存与硬盘之间也有Cache，乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache── 称为Internet临时文件夹或网络内容缓存等。

Cache的容量有限，因此当Cache的容量用完后，而又有新的内容需要添加进来时， 就需要挑选并舍弃原有的部分内容，从而腾出空间来放新内容。LRU Cache 的替换原则就是将最近最少使用的内容替换掉。其实，LRU译成最久未使用会更形象， 因为该算法每次替换掉的就是一段时间内最久没有使用过的内容。

2.LRU Cache的实现

实现LRU Cache的方法和思路很多，但是要保持高效实现O(1)的put和get，那么使用双向链表和哈希表的搭配是最高效和经典的。使用双向链表是因为双向链表可以实现任意位置O(1)的插入和删除，使用哈希表是因为哈希表的增删查改也是O(1)。

我们通过一道OJ题来详细讲解它的实现。

3.LRU Cache的OJ

146. LRU 缓存 - 力扣（LeetCode）

这道题目的意思就是LRU里面有capacity表示容量，超过容量我们就要进行删除不是最近使用的数据，我们还要实现get和put数据的操作时间复杂度都为O（1），从put操作中我们也能看出它是key-value模型。

代码实现

class LRUCache {
public:
    LRUCache(int capacity) 
    :_capacity(capacity)
    {}
    
    int get(int key) {
        auto it = hashMap.find(key);
        if(it!=hashMap.end())
        {
            LRUlist.splice(LRUlist.begin(),LRUlist,it->second);
            return it->second->second;
        }
        return -1;
    }
    
    void put(int key, int value) {
        auto it = hashMap.find(key);
        if(it==hashMap.end())
        {
            if(_capacity==hashMap.size())
            {
                pair<int,int> back = LRUlist.back();
                hashMap.erase(back.first);
                LRUlist.pop_back();
            }
            LRUlist.push_front(make_pair(key,value));
            hashMap[key]=LRUlist.begin();
        }
        else
        {
            hashMap[key]->second=value;
            LRUlist.splice(LRUlist.begin(),LRUlist,it->second);
        }
    }
    typedef list<pair<int,int>>::iterator Llter;
    private:
    unordered_map<int,Llter> hashMap;
    list<pair<int,int>> LRUlist;
    size_t _capacity;
};

我们从题目中能看出它只要我们实现3种函数，我们就一个一个来讲。

        在讲函数前我们得先有成员变量，从代码这里我们能看到有3个成员变量，分别是哈希表，双向链表和容量。我们之前分析过LRU实际上是key-value模型，所以我们的list容器用的模板类型是pair好理解，但是为什么我们哈希表中的value类型是迭代器而不是节点类型呢？这是因为你的value如果是节点类型确实查和放的过程是O（1），但是你不只是查和放啊，你同时还得更新啊，我们得把最近使用的数据更新到链表的头部啊，这个时候我们的迭代器不仅能查还方便直接改动list的数据。

        说完成员变量之后我们再来讲3个函数，首先是带参构造，带参构造很简单，它形参只给我们了一个，我们就只需要将容量初始化就可以了。我们再来讲解get操作，这个操作也比较简单，它的形参给我们一个key，那么我们直接就用这个key去哈希表里面找，找到了就返回值，找不到就返回-1，同时我们还要更新，我们可以使用splice函数。

splice函数是list的一个成员函数，它可以帮助我们迭代器指向的内容进行位置交换，position是你想指向的位置，x是你想用哪个list对象，i是你想交换的迭代器。我们就可以用它将我们刚刚查到的数据放到begin（也就是头的位置）。这个函数跟你自己去调指针的指向效果是一样的。

        接下来我们再来讲解比较复杂的put操作。按照题目要求我们先来判断一下这个值在不在，在我们就修改值（同时还要将这个刚修改的值的位置调到头部），不在我们就插入，插入前我们需要判断一下它的空间是否需要释放，如果需要我们先将哈希表中的映射关系给去除，再将链表的最后一个数据删除，删除完后我们就可以将数据插入了。

        这样我们简易的LRU模型就出来了，搞懂后其实就没有那么高深了。