0460. LFU 缓存

题目地址(460. LFU缓存)

https://leetcode-cn.com/problems/lfu-cache/

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。它应该支持以下操作：get 和 put。

get(key) - 如果键存在于缓存中，则获取键的值（总是正数），否则返回 -1。
put(key, value) - 如果键已存在，则变更其值；如果键不存在，请插入键值对。当缓存达到其容量时，则应该在插入新项之前，使最不经常使用的项无效。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，应该去除最久未使用的键。
「项的使用次数」就是自插入该项以来对其调用 get 和 put 函数的次数之和。使用次数会在对应项被移除后置为 0 。

 

进阶：
你是否可以在 O(1) 时间复杂度内执行两项操作？

 

示例：

LFUCache cache = new LFUCache( 2 /* capacity (缓存容量) */ );

cache.put(1, 1);
cache.put(2, 2);
cache.get(1);       // 返回 1
cache.put(3, 3);    // 去除 key 2
cache.get(2);       // 返回 -1 (未找到key 2)
cache.get(3);       // 返回 3
cache.put(4, 4);    // 去除 key 1
cache.get(1);       // 返回 -1 (未找到 key 1)
cache.get(3);       // 返回 3
cache.get(4);       // 返回 4

前置知识

链表
HashMap

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字节

思路

本题已被收录到我的新书中，敬请期待～

LFU（Least frequently used) 但内存容量满的情况下，有新的数据进来，需要更多空间的时候，就需要删除被访问频率最少的元素。

举个例子，比如说 cache 容量是 3，按顺序依次放入 1，2，1，2，1，3， cache 已存满 3 个元素 (1，2，3)，这时如果想放入一个新的元素 4 的时候，就需要腾出一个元素空间。用 LFU，这里就淘汰 3，因为 3 的次数只出现依次， 1 和 2 出现的次数都比 3 多。

题中 get 和 put 都是 O(1)的时间复杂度，那么删除和增加都是O(1)，可以想到用双链表，和HashMap，用一个HashMap, nodeMap, 保存当前key，和 node{key, value, frequent} 的映射。这样get(key)的操作就是O(1). 如果要删除一个元素，那么就需要另一个HashMap，freqMap，保存元素出现次数（frequent）和双链表（DoublyLinkedlist） 映射，这里双链表存的是 frequent 相同的元素。每次get或put的时候，frequent+1，然后把node插入到双链表的head node, head.next=node 每次删除freqent最小的双链表的tail node, tail.prev。

用给的例子举例说明：

1. put(1, 1), 
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=1 对应的 value，
       没有就新建 node(key, value, freq) -> node1(1, 1, 1), 插入 nodeMap，{[1, node1]}
   - 查找 freqMap 中有没有 freq=1 对应的 value，
       没有就新建 doublylinkedlist(head, tail), 把 node1 插入 doublylinkedlist head->next = node1.
   如下图，

2. put(2, 2), 
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=2 对应的 value，
       没有就新建 node(key, value, freq) -> node2(2, 2, 1), 插入 nodeMap，{[1, node1], [2, node2]}
   - 查找 freqMap 中有没有 freq=1 对应的 value，
       没有就新建 doublylinkedlist(head, tail), 把 node2 插入 doublylinkedlist head->next = node2.
   如下图，

3. get(1), 
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=1 对应的 value，nodeMap:{[1, node1], [2, node2]},
       找到 node1，把 node1 freq+1 -> node1(1,1,2)
   - 更新 freqMap，删除 freq=1，node1
   - 更新 freqMap，插入 freq=2，node1
   如下图，

4. put(3, 3), 
   - 判断 cache 的 capacity，已满，需要淘汰使用次数最少的元素，找到最小的 freq=1，删除双链表 tail node.prev 
       如果 tailnode.prev != null, 删除。然后从 nodeMap 中删除对应的 key。
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=3 对应的 value，
       没有就新建 node(key, value, freq) -> node3(3, 3, 1), 插入 nodeMap，{[1, node1], [3, node3]}
   - 查找 freqMap 中有没有 freq=1 对应的 value，
       没有就新建 doublylinkedlist(head, tail), 把 node3 插入 doublylinkedlist head->next = node3.
   如下图，

5. get(2) 
   - 查找 nodeMap，如果没有对应的 key 的 value，返回 -1。
 
6. get(3)
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=3 对应的 value，nodeMap:{[1, node1], [3, node3]},
       找到 node3，把 node3 freq+1 -> node3(3,3,2)
   - 更新 freqMap，删除 freq=1，node3
   - 更新 freqMap，插入 freq=2，node3
   如下图，

7. put(4, 4), 
   - 判断 cache 的 capacity，已满，需要淘汰使用次数最少的元素，找到最小的 freq=1，删除双链表 tail node.prev 
       如果 tailnode.prev != null, 删除。然后从 nodeMap 中删除对应的 key。
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=4 对应的 value，
       没有就新建 node(key, value, freq) -> node4(4, 4, 1), 插入 nodeMap，{[4, node4], [3, node3]}
   - 查找 freqMap 中有没有 freq=1 对应的 value，
       没有就新建 doublylinkedlist(head, tail), 把 node4 插入 doublylinkedlist head->next = node4.
   如下图，

8. get(1) 
   - 查找 nodeMap，如果没有对应的 key 的 value，返回 -1。
 
9. get(3)
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=3 对应的 value，nodeMap:{[4, node4], [3, node3]},
       找到 node3，把 node3 freq+1 -> node3(3,3,3)
   - 更新 freqMap，删除 freq=2，node3
   - 更新 freqMap，插入 freq=3，node3
   如下图，

10. get(4)
   - 首先查找 nodeMap 中有没有 key=4 对应的 value，nodeMap:{[4, node4], [3, node3]},
       找到 node4，把 node4 freq+1 -> node4(4,4,2)
   - 更新 freqMap，删除 freq=1，node4
   - 更新 freqMap，插入 freq=2，node4
   如下图，

关键点分析

用两个Map分别保存 nodeMap {key, node} 和 freqMap{frequent, DoublyLinkedList}。实现get 和 put操作都是O(1)的时间复杂度。

可以用 Java 自带的一些数据结构，比如 HashLinkedHashSet，这样就不需要自己自建 Node，DoublelyLinkedList。可以很大程度的缩减代码量。

代码（Java code）

public class LC460LFUCache {
  class Node {
    int key, val, freq;
    Node prev, next;

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

  class DoubleLinkedList {
    private Node head;
    private Node tail;
    private int size;

    DoubleLinkedList() {
      head = new Node(0, 0);
      tail = new Node(0, 0);
      head.next = tail;
      tail.prev = head;
    }

    void add(Node node) {
      head.next.prev = node;
      node.next = head.next;
      node.prev = head;
      head.next = node;
      size++;
    }

    void remove(Node node) {
      node.prev.next = node.next;
      node.next.prev = node.prev;
      size--;
    }

    // always remove last node if last node exists
    Node removeLast() {
      if (size > 0) {
        Node node = tail.prev;
        remove(node);
        return node;
      } else return null;
    }
  }

  // cache capacity
  private int capacity;
  // min frequent
  private int minFreq;
  Map<Integer, Node> nodeMap;
  Map<Integer, DoubleLinkedList> freqMap;
  public LC460LFUCache(int capacity) {
    this.minFreq = 0;
    this.capacity = capacity;
    nodeMap = new HashMap<>();
    freqMap = new HashMap<>();
  }

  public int get(int key) {
    Node node = nodeMap.get(key);
    if (node == null) return -1;
    update(node);
    return node.val;
  }

  public void put(int key, int value) {
    if (capacity == 0) return;
    Node node;
    if (nodeMap.containsKey(key)) {
      node = nodeMap.get(key);
      node.val = value;
      update(node);
    } else {
      node = new Node(key, value);
      nodeMap.put(key, node);
      if (nodeMap.size() == capacity) {
        DoubleLinkedList lastList = freqMap.get(minFreq);
        nodeMap.remove(lastList.removeLast().key);
      }
      minFreq = 1;
      DoubleLinkedList newList = freqMap.getOrDefault(node.freq, new DoubleLinkedList());
      newList.add(node);
      freqMap.put(node.freq, newList);
    }
  }

  private void update(Node node) {
    DoubleLinkedList oldList = freqMap.get(node.freq);
    oldList.remove(node);
    if (node.freq == minFreq && oldList.size == 0) minFreq++;
    node.freq++;
    DoubleLinkedList newList = freqMap.getOrDefault(node.freq, new DoubleLinkedList());
    newList.add(node);
    freqMap.put(node.freq, newList);
  }
 }

参考（References）

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