前言
这次主要实现一个类似缓存的一种数据结构，缓存（Cache）容量有限，当容量用完后有新的数据添加进来，就需要将原来不常用的数据清除掉，再加入新的数据；
一、LRU Cache是什么
LRU Cache的底层是一个双向链表 + 哈希表的结构，这样做是为了要达到一个时间复杂度为O(1)的存放元素以及获取元素（双向链表插入删除元素和哈希表查找元素可以到达O(1)），功能是将经常使用的元素放在链表的尾部，不常使用的放在链表的头部，当容量用完了后再添加元素时，就会把头部不经常用的元素删除掉；
二、模拟实现
2.1、通过继承 LinkedHashMap 模拟实现
LinkedHashMap 底层也是双向链表 + 哈希表，其中有一个构造方法，若参数置为 false 时，会按照插入顺序进行排序，若参数置为 true 时，会按照访问顺序（也就是插入和访问都会将当前节点放置到尾部，尾部代表的是最近访问的数据），我们这里需要模拟实现 LRU Cache ，所以参数需要设置为 true ；
代码如下：
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
public class LRUCache extends LinkedHashMap<Integer, Integer> {
public int capacity;//容量
public LRUCache(int capacity) {
//这里的true代表基于访问顺序
super(capacity, 0.75F, true);
this.capacity = capacity;//指定容量
}
@Override
public Integer get(Object key) {
return super.getOrDefault(key, -1);
}
public Integer put(Integer key, Integer value) {
return super.put(key, value);
}
/**
* 为什么要重写这个方法？
* 因为达到某个条件为 true 就会删除头节点
* @param eldest
* @return
*/
@Override
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Integer, Integer> eldest) {
return size() > capacity;
}
}
2.2、自主模拟实现LRU Cache
2.2.1、LRU Cache的定义
这里只需要顶一个双向链表和一个HashMap即可；
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class MyLRUCache {
//双向链表
static class DLinkNode {
public int key;
public int value;
public DLinkNode prev;
public DLinkNode next;
public DLinkNode() {
}
public DLinkNode(int key, int value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
}
public DLinkNode head;//双向链表的头节点
public DLinkNode tail;//双向链表的尾结点
public int usedSize;//当前双向链表中有效数据的个数
public Map<Integer, DLinkNode> map;
public int capacity;//容量
public MyLRUCache(int capacity) {
this.head = new DLinkNode();
this.tail = new DLinkNode();
head.next = tail;
tail.prev = head;
this.cache = new HashMap<>();
this.capacity = capacity;
}
}
2.2.2、存放结点
首先检查当前结点是否之前存放过，若没有存放过，就将这个结点存储到尾巴的位置，若之前有存储过该节点，就把之前的结点移动到尾巴的位置即可；
/**
* 存储元素
* @param key
* @param val
*/
public void put(int key, int val) {
//1.查找当前这个keu是不是存储过；
DLinkNode node = cache.get(key);
//2.如果没有存储过
if(node == null) {
//2.1需要实例化一个结点
DLinkNode dLinkNode = new DLinkNode(key, val);
//2.2存储到map中
cache.put(key, dLinkNode);
//2.3把该结点存储到链表尾巴
addToTail(dLinkNode);
usedSize++;
//2.4检查当前双向链表的有效数据个数 是不是超过了capacity
if(usedSize > capacity) {
//2.5超过了就要移除头部结点
DLinkNode remNode = removeHead();
//2.6清除cache中的元素
cache.remove(remNode.key);
//2.6usedSize--;
usedSize--;
}
} else {
//3.如果存储过
//3.1更新这个key对应的val
node.val = val;
//3.2然后将该结点移到尾部(因为这个是新插入的数据)
moveToTail(node);
}
}
/**
* 移动当前结点到尾巴结点
* @param node
*/
private void moveToTail(DLinkNode node) {
//1.先删除这个结点
removeNode(node);
//2.添加到尾部
addToTail(node);
}
/**
* 删除指定结点
* @param node
*/
private void removeNode(DLinkNode node) {
node.prev.next = node.next;
node.next.prev = node.prev;
}
/**
* 添加结点到链表的尾部
* @param node
*/
private void addToTail(DLinkNode node) {
tail.prev.next = node;
node.prev = tail.prev;
node.next = tail;
tail.prev = node;
}
/**
* 删除头部结点
* @return
*/
private DLinkNode removeHead() {
DLinkNode del = head.next;
head.next = del.next;
del.next.prev = head;
return del;
}
2.2.3、访问结点
实际上就是将访问到的结点放到尾巴结点处即可（经常使用的）
/**
* 访问当前key
* 逻辑：将访问的结点放到尾巴
* @param key
* @return
*/
public int get(int key) {
DLinkNode node = cache.get(key);
if(node == null) {
return -1;
}
//把最近经常使用的放到尾巴
moveToTail(node);
return node.val;
}
2.2.4、LRU Cache 完整模拟代码
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class MyLRUCache {
//双向链表
static class DLinkNode {
public int key;
public int val;
public DLinkNode prev;
public DLinkNode next;
public DLinkNode() {
}
public DLinkNode(int key, int value) {
this.key = key;
this.val = value;
}
@Override
public String toString() {
return "key=" + key +
", val=" + val;
}
}
public DLinkNode head;//双向链表的头节点
public DLinkNode tail;//双向链表的尾结点
public int usedSize;//当前双向链表中有效数据的个数
public Map<Integer, DLinkNode> cache;
public int capacity;//容量
public MyLRUCache(int capacity) {
this.head = new DLinkNode();
this.tail = new DLinkNode();
head.next = tail;
tail.prev = head;
this.cache = new HashMap<>();
this.capacity = capacity;
}
/**
* 存储元素
* @param key
* @param val
*/
public void put(int key, int val) {
//1.查找当前这个keu是不是存储过；
DLinkNode node = cache.get(key);
//2.如果没有存储过
if(node == null) {
//2.1需要实例化一个结点
DLinkNode dLinkNode = new DLinkNode(key, val);
//2.2存储到map中
cache.put(key, dLinkNode);
//2.3把该结点存储到链表尾巴
addToTail(dLinkNode);
usedSize++;
//2.4检查当前双向链表的有效数据个数 是不是超过了capacity
if(usedSize > capacity) {
//2.5超过了就要移除头部结点
DLinkNode remNode = removeHead();
//2.6清除cache中的元素
cache.remove(remNode.key);
//2.6usedSize--;
usedSize--;
}
} else {
//3.如果存储过
//3.1更新这个key对应的val
node.val = val;
//3.2然后将该结点移到尾部(因为这个是新插入的数据)
moveToTail(node);
}
}
/**
* 移动当前结点到尾巴结点
* @param node
*/
private void moveToTail(DLinkNode node) {
//1.先删除这个结点
removeNode(node);
//2.添加到尾部
addToTail(node);
}
/**
* 删除指定结点
* @param node
*/
private void removeNode(DLinkNode node) {
node.prev.next = node.next;
node.next.prev = node.prev;
}
/**
* 添加结点到链表的尾部
* @param node
*/
private void addToTail(DLinkNode node) {
tail.prev.next = node;
node.prev = tail.prev;
node.next = tail;
tail.prev = node;
}
/**
* 删除头部结点
* @return
*/
private DLinkNode removeHead() {
DLinkNode del = head.next;
head.next = del.next;
del.next.prev = head;
return del;
}
/**
* 访问当前key
* 逻辑：将访问的结点放到尾巴
* @param key
* @return
*/
public int get(int key) {
DLinkNode node = cache.get(key);
if(node == null) {
return -1;
}
//把最近经常使用的放到尾巴
moveToTail(node);
return node.val;
}
public void printNode(String str) {
DLinkNode cur = head.next;
while( cur != tail) {
System.out.println(cur);
cur = cur.next;
}
}
}
