460. LFU 缓存

English Version

题目描述

请你为最不经常使用（LFU）缓存算法设计并实现数据结构。

实现 LFUCache 类：

LFUCache(int capacity) - 用数据结构的容量 capacity 初始化对象
int get(int key) - 如果键 key 存在于缓存中，则获取键的值，否则返回 -1 。
void put(int key, int value) - 如果键 key 已存在，则变更其值；如果键不存在，请插入键值对。当缓存达到其容量 capacity 时，则应该在插入新项之前，移除最不经常使用的项。在此问题中，当存在平局（即两个或更多个键具有相同使用频率）时，应该去除 最近最久未使用 的键。

为了确定最不常使用的键，可以为缓存中的每个键维护一个 使用计数器 。使用计数最小的键是最久未使用的键。

当一个键首次插入到缓存中时，它的使用计数器被设置为 1 (由于 put 操作)。对缓存中的键执行 get 或 put 操作，使用计数器的值将会递增。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

示例：

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

解释：
// cnt(x) = 键 x 的使用计数
// cache=[] 将显示最后一次使用的顺序（最左边的元素是最近的）
LFUCache lfu = new LFUCache(2);
lfu.put(1, 1);   // cache=[1,_], cnt(1)=1
lfu.put(2, 2);   // cache=[2,1], cnt(2)=1, cnt(1)=1
lfu.get(1);      // 返回 1
                 // cache=[1,2], cnt(2)=1, cnt(1)=2
lfu.put(3, 3);   // 去除键 2 ，因为 cnt(2)=1 ，使用计数最小
                 // cache=[3,1], cnt(3)=1, cnt(1)=2
lfu.get(2);      // 返回 -1（未找到）
lfu.get(3);      // 返回 3
                 // cache=[3,1], cnt(3)=2, cnt(1)=2
lfu.put(4, 4);   // 去除键 1 ，1 和 3 的 cnt 相同，但 1 最久未使用
                 // cache=[4,3], cnt(4)=1, cnt(3)=2
lfu.get(1);      // 返回 -1（未找到）
lfu.get(3);      // 返回 3
                 // cache=[3,4], cnt(4)=1, cnt(3)=3
lfu.get(4);      // 返回 4
                 // cache=[3,4], cnt(4)=2, cnt(3)=3

提示：

0 <= capacity <= 10⁴
0 <= key <= 10⁵
0 <= value <= 10⁹
最多调用 2 * 10⁵ 次 get 和 put 方法

解法

和 LRU 缓存类似的思路，用 map<key, node> 和 map<freq, list<node>> 存储不同使用频率的节点

对于 get 操作，判断 key 是否存在哈希表中：

若不存在，返回 -1
若存在，增加节点的使用频率，返回节点值

对于 put 操作，同样判断 key 是否存在哈希表中：

若不存在，首先判断缓存容量是否足够，不够的话需要先删除使用次数最少的节点。然后再创建新节点，插入使用频率为 1 的双链表
若存在，修改原节点的值，增加节点的使用频率

Python3

Java

class LFUCache {

    private final Map<Integer, Node> map;
    private final Map<Integer, DoublyLinkedList> freqMap;
    private final int capacity;
    private int minFreq;

    public LFUCache(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        map = new HashMap<>(capacity, 1);
        freqMap = new HashMap<>();
    }

    public int get(int key) {
        if (capacity == 0) {
            return -1;
        }
        if (!map.containsKey(key)) {
            return -1;
        }
        Node node = map.get(key);
        incrFreq(node);
        return node.value;
    }

    public void put(int key, int value) {
        if (capacity == 0) {
            return;
        }
        if (map.containsKey(key)) {
            Node node = map.get(key);
            node.value = value;
            incrFreq(node);
            return;
        }
        if (map.size() == capacity) {
            DoublyLinkedList list = freqMap.get(minFreq);
            map.remove(list.removeLast().key);
        }
        Node node = new Node(key, value);
        addNode(node);
        map.put(key, node);
        minFreq = 1;
    }

    private void incrFreq(Node node) {
        int freq = node.freq;
        DoublyLinkedList list = freqMap.get(freq);
        list.remove(node);
        if (list.isEmpty()) {
            freqMap.remove(freq);
            if (freq == minFreq) {
                minFreq++;
            }
        }
        node.freq++;
        addNode(node);
    }

    private void addNode(Node node) {
        int freq = node.freq;
        DoublyLinkedList list = freqMap.getOrDefault(freq, new DoublyLinkedList());
        list.addFirst(node);
        freqMap.put(freq, list);
    }

    private static class Node {
        int key;
        int value;
        int freq;
        Node prev;
        Node next;

        Node(int key, int value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.freq = 1;
        }
    }

    private static class DoublyLinkedList {

        private final Node head;
        private final Node tail;

        public DoublyLinkedList() {
            head = new Node(-1, -1);
            tail = new Node(-1, -1);
            head.next = tail;
            tail.prev = head;
        }

        public void addFirst(Node node) {
            node.prev = head;
            node.next = head.next;
            head.next.prev = node;
            head.next = node;
        }

        public Node remove(Node node) {
            node.next.prev = node.prev;
            node.prev.next = node.next;
            node.next = null;
            node.prev = null;
            return node;
        }

        public Node removeLast() {
            return remove(tail.prev);
        }

        public boolean isEmpty() {
            return head.next == tail;
        }
    }
}

Go

type LFUCache struct {
	cache    map[int]*node
	freqMap  map[int]*list
	minFreq  int
	capacity int
}


func Constructor(capacity int) LFUCache {
	return LFUCache{
		cache:    make(map[int]*node),
		freqMap:  make(map[int]*list),
		capacity: capacity,
	}
}


func (this *LFUCache) Get(key int) int {
	if this.capacity == 0 {
		return -1
	}


	n, ok := this.cache[key]
	if !ok {
		return -1
	}


	this.incrFreq(n)
	return n.val
}


func (this *LFUCache) Put(key int, value int) {
	if this.capacity == 0 {
		return
	}


	n, ok := this.cache[key]
	if ok {
		n.val = value
		this.incrFreq(n)
		return
	}


	if len(this.cache) == this.capacity {
		l := this.freqMap[this.minFreq]
		delete(this.cache, l.removeBack().key)
	}
	n = &node{key: key, val: value, freq: 1}
	this.addNode(n)
	this.cache[key] = n
	this.minFreq = 1
}


func (this *LFUCache) incrFreq(n *node) {
	l := this.freqMap[n.freq]
	l.remove(n)
	if l.empty() {
		delete(this.freqMap, n.freq)
		if n.freq == this.minFreq {
			this.minFreq++
		}
	}
	n.freq++
	this.addNode(n)
}


func (this *LFUCache) addNode(n *node) {
	l, ok := this.freqMap[n.freq]
	if !ok {
		l = newList()
		this.freqMap[n.freq] = l
	}
	l.pushFront(n)
}


type node struct {
	key  int
	val  int
	freq int
	prev *node
	next *node
}


type list struct {
	head *node
	tail *node
}


func newList() *list {
	head := new(node)
	tail := new(node)
	head.next = tail
	tail.prev = head
	return &list{
		head: head,
		tail: tail,
	}
}


func (l *list) pushFront(n *node) {
	n.prev = l.head
	n.next = l.head.next
	l.head.next.prev = n
	l.head.next = n
}


func (l *list) remove(n *node) {
	n.prev.next = n.next
	n.next.prev = n.prev
	n.next = nil
	n.prev = nil
}


func (l *list) removeBack() *node {
	n := l.tail.prev
	l.remove(n)
	return n
}


func (l *list) empty() bool {
	return l.head.next == l.tail
}

Rust

use std::cell::RefCell;
use std::collections::HashMap;
use std::rc::Rc;


struct Node {
    key: i32,
    value: i32,
    freq: i32,
    prev: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
    next: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
}


impl Node {
    fn new(key: i32, value: i32) -> Self {
        Self {
            key,
            value,
            freq: 1,
            prev: None,
            next: None,
        }
    }
}


struct LinkedList {
    head: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
    tail: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
}


impl LinkedList {
    fn new() -> Self {
        Self {
            head: None,
            tail: None,
        }
    }


    fn push_front(&mut self, node: &Rc<RefCell<Node>>) {
        match self.head.take() {
            Some(head) => {
                head.borrow_mut().prev = Some(Rc::clone(node));
                node.borrow_mut().prev = None;
                node.borrow_mut().next = Some(head);
                self.head = Some(Rc::clone(node));
            }
            None => {
                node.borrow_mut().prev = None;
                node.borrow_mut().next = None;
                self.head = Some(Rc::clone(node));
                self.tail = Some(Rc::clone(node));
            }
        };
    }


    fn remove(&mut self, node: &Rc<RefCell<Node>>) {
        match (node.borrow().prev.as_ref(), node.borrow().next.as_ref()) {
            (None, None) => {
                self.head = None;
                self.tail = None;
            }
            (None, Some(next)) => {
                self.head = Some(Rc::clone(next));
                next.borrow_mut().prev = None;
            }
            (Some(prev), None) => {
                self.tail = Some(Rc::clone(prev));
                prev.borrow_mut().next = None;
            }
            (Some(prev), Some(next)) => {
                next.borrow_mut().prev = Some(Rc::clone(prev));
                prev.borrow_mut().next = Some(Rc::clone(next));
            }
        };
    }


    fn pop_back(&mut self) -> Option<Rc<RefCell<Node>>> {
        match self.tail.take() {
            Some(tail) => {
                self.remove(&tail);
                Some(tail)
            }
            None => None,
        }
    }


    fn is_empty(&self) -> bool {
        self.head.is_none()
    }
}


struct LFUCache {
    cache: HashMap<i32, Rc<RefCell<Node>>>,
    freq_map: HashMap<i32, LinkedList>,
    min_freq: i32,
    capacity: usize,
}


/**
 * `&self` means the method takes an immutable reference.
 * If you need a mutable reference, change it to `&mut self` instead.
 */
impl LFUCache {
    fn new(capacity: i32) -> Self {
        Self {
            cache: HashMap::new(),
            freq_map: HashMap::new(),
            min_freq: 0,
            capacity: capacity as usize,
        }
    }


    fn get(&mut self, key: i32) -> i32 {
        if self.capacity == 0 {
            return -1;
        }


        match self.cache.get(&key) {
            Some(node) => {
                let node = Rc::clone(node);
                self.incr_freq(&node);
                let value = node.borrow().value;
                value
            }
            None => -1,
        }
    }


    fn put(&mut self, key: i32, value: i32) {
        if self.capacity == 0 {
            return;
        }


        match self.cache.get(&key) {
            Some(node) => {
                let node = Rc::clone(node);
                node.borrow_mut().value = value;
                self.incr_freq(&node);
            }
            None => {
                if self.cache.len() == self.capacity {
                    let list = self.freq_map.get_mut(&self.min_freq).unwrap();
                    self.cache.remove(&list.pop_back().unwrap().borrow().key);
                }
                let node = Rc::new(RefCell::new(Node::new(key, value)));
                self.add_node(&node);
                self.cache.insert(key, node);
                self.min_freq = 1;
            }
        };
    }


    fn incr_freq(&mut self, node: &Rc<RefCell<Node>>) {
        let freq = node.borrow().freq;
        let list = self.freq_map.get_mut(&freq).unwrap();
        list.remove(node);
        if list.is_empty() {
            self.freq_map.remove(&freq);
            if freq == self.min_freq {
                self.min_freq += 1;
            }
        }
        node.borrow_mut().freq += 1;
        self.add_node(node);
    }


    fn add_node(&mut self, node: &Rc<RefCell<Node>>) {
        let freq = node.borrow().freq;
        match self.freq_map.get_mut(&freq) {
            Some(list) => {
                list.push_front(node);
            }
            None => {
                let mut list = LinkedList::new();
                list.push_front(node);
                self.freq_map.insert(node.borrow().freq, list);
            }
        };
    }
}


/**
 * Your LFUCache object will be instantiated and called as such:
 * let obj = LFUCache::new(capacity);
 * let ret_1: i32 = obj.get(key);
 * obj.put(key, value);
 */

Provide feedback

Saved searches

Use saved searches to filter your results more quickly

README.md

README.md

460. LFU 缓存

题目描述

解法

Python3

Java

Go

Rust

...

Files

README.md

Latest commit

History

README.md

File metadata and controls

460. LFU 缓存

题目描述

解法

Python3

Java

Go

Rust

...