左神算法进阶班6_1LFU缓存实现

【题目】

LFU也是一个著名的缓存算法,自行了解之后实现LFU中的set 和 get

要求：两个方法的时间复杂度都为O(1)

【题解】

LFU算法与LRU算法很像

但LRU是最新使用的排在使用频率最前面，也就是LRU是通过使用时间进行排序，

使用时间越新，其使用频率越高，而使用时间越久，其使用频率越低，即当空间满时，被删除的概率最大

而LFU是根据使用次数来算使用频率的，使用次数越多，其使用频率越高，使用次数越少，使用频率越低，当空间满时越容易被删除

同样，使用hash_map表和双向链表进行存储；

hash表存储关键词与双向链表的节点地址

而双向链表的数据存储的是使用次数，每种使用次数仍然是一个双向链表，

当put一个数据，则在使用次数为1的链表节点下的链表中按put顺序依次存储

当每get一个数据，若存在，而在相对应使用次数的链表节点中拿出，放在下一个链表节点下，即使用次数 + 1的节点

记住，在相同的使用次数中，是按照使用时间顺序进行存放的，

所以，当空间满时，首先删除大链表的头中的头，即使用次数为1的节点中的头结点【最早放入】，若使用次数都一样，同样是删除该使用次数节点中链表的 头节点

所以，数据存放于链表尾部，数据删除于链表的头部

还有，当某个链表节点为空，则删除，某个链表节点不存在，则新建

比如，当使用次数为2的节点中无数据，则删出该节点，

当有一个新数据的使用次数为2时，发现不存在使用次数为2的节点，那么就应该新建一个节点

【代码】

　　

 #pragma once
 #include <iostream>
 #include <hash_map>

 using namespace std;

 struct Node//子链表
 {
     int key;
     int val;
     int num;
     Node* next;
     Node* pre;
     Node(int a, int b, int n) :key(a), val(b), num(n), next(nullptr), pre(nullptr) {}
 };

 struct NodeList//主链表
 {
     int num;
     Node* head;//子链表的头节点
     Node* tail;//子链表的尾结点
     NodeList* next;
     NodeList* pre;
     NodeList(int a) :num(a), next(nullptr), pre(nullptr)
     {
         head = new Node(, , a);//新建一个子链表的头结点
         tail = head;
     }
 };

 class LFU
 {
 public:
     LFU(int size) :capacity(size) {}
     void set(int key, int value);
     int get(int key);

 private:
     void getNode(Node*& p, NodeList*& h);//将节点从子链表中取出
     void moveNode(Node*& p, NodeList*& h);//将节点向后移动
     void deleteNode(int num, NodeList*& h);//删除子链表
     void createNode(Node*p, NodeList*& h);//新建子链表,并插入在主链中
     void updataNode(Node*& p, NodeList*& h);//更新函数的使用次数
     void deleteData();//容量不足需要删除

 private:
     int capacity;
     NodeList* headList = new NodeList();//主链表的头结点
     hash_map<int, Node*>dataMap;//key  <——>  真实数据节点地址
     hash_map<int, NodeList*>headMap;//次数 <——>  链表头节点地址
 };

 void LFU::set(int key, int value)
 {
     if (this->capacity == )
         return;
     if (dataMap.find(key) != dataMap.end())//已经存在
     {
         Node* p = dataMap[key];//找到数据节点
         NodeList* h = headMap[p->num];//找到头链表节点
         p->val = value;

         updataNode(p, h);//更新数据的使用次数
     }
     else//如果不存在，则新建
     {
         if (dataMap.size() >= this->capacity)//容量不足，需要删除数据
             deleteData();

         Node* p = new Node(key, value, );//使用用一次
         dataMap[key] = p;//记录

         //将新建节点插入使用1次的子链表中
         if (headMap.find() == headMap.end())//当使用1次的子链表不存在
             createNode(p, headList);
         else
             moveNode(p, headMap[]);//插入在使用次数在1的子链表中
     }
 }

 int LFU::get(int key)
 {
     if (dataMap.find(key) == dataMap.end())//数据不存在
         return -;
     Node* p = dataMap[key];//找到数据节点
     NodeList* h = headMap[p->num];
     updataNode(p, h);

     return p->val;
 }

 void LFU::getNode(Node*& p, NodeList*& h)//将节点从子链表中取出
 {
     p->pre->next = p->next;
     if (p->next == nullptr)
         h->tail = p->pre;
     else
         p->next->pre = p->pre;
 }

 void LFU::moveNode(Node*& p, NodeList*& q)//将节点向后移动
 {
     p->next = q->tail->next;
     q->tail->next = p;
     p->pre = q->tail;
     q->tail = p;
 }

 void LFU::deleteNode(int num, NodeList*& h)//删除子链表
 {
     headMap.erase(num);//从map中删除
     h->pre->next = h->next;
     if (h->next != nullptr)
         h->next->pre = h->pre;
     delete h;
     h = nullptr;
 }

 void LFU::createNode(Node*p, NodeList*& h)//新建子链表,并插入在主链中
 {
     NodeList* q = new NodeList(p->num);//新建一个子链表
     headMap[p->num] = q;//保存对应的地址

     moveNode(p, q);////将节点放入子链表中        

     //将新子链插入主链表中
     q->next = h->next;
     if (h->next != nullptr)
         h->next->pre = q;
     h->next = q;
     q->pre = h;
 }

 void LFU::updataNode(Node*& p, NodeList*& h)//更新函数的使用次数
 {
     int num = p->num;
     p->num++;//使用次数+1

     //将p从子链表中取出
     getNode(p, h);

     //将该数据向后面移动
     if (headMap.find(p->num) == headMap.end())//不存在num+1的节点,那么新建
         createNode(p, h);
     else
         moveNode(p, headMap[p->num]);////将节点放入子链表中    

     //如果该子链表为空，将该子链表删除,并从map中删除
     if (h->head == h->tail)
         deleteNode(num, h);
 }

 void LFU::deleteData()//容量不足需要删除
 {
     NodeList* p = headList->next;
     Node* q = p->head->next;//删除子链表排在最前面的数据
     if (q == p->tail)//要删除的数据就是最后一个数据，则删除该节点和子链表
         deleteNode(q->num, p);
     else
     {
         p->head->next = q->next;
         q->next->pre = p->head;
     }
     dataMap.erase(q->key);//删除记录
     delete q;//删除
     q = nullptr;
 }

 void Test()
 {
     LFU* f = new LFU();
     f->set(, );
     f->set(, );
     f->set(, );
     cout << f->get() << endl;
     f->set(, );
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;
     f->set(, );
     cout << f->get() << endl;
     cout << f->get() << endl;

 }