[LeetCode]146. LRU Cacheの詳細説明とコード例

1、要約
以下の考え方はハッシュと双方向チェーンテーブルの結合使用、キャッシュ設計などの知識点をカバーしている.
2、テーマ
Design and implement a data structure for Least Recently Used (LRU) cache. It should support the following operations:  get  and  put .get(key)  - Get the value (will always be positive) of the key if the key exists in the cache, otherwise return -1. put(key, value)  - Set or insert the value if the key is not already present. When the cache reached its capacity, it should invalidate the least recently used item before inserting a new item.
Follow up: Could you do both operations in O(1) time complexity?
Example:

LRUCache cache = new LRUCache( 2 /* capacity */ );

cache.put(1, 1);
cache.put(2, 2);
cache.get(1);       // returns 1
cache.put(3, 3);    // evicts key 2
cache.get(2);       // returns -1 (not found)
cache.put(4, 4);    // evicts key 1
cache.get(1);       // returns -1 (not found)
cache.get(3);       // returns 3
cache.get(4);       // returns 4

3、審査問題
単純版の最近のキャッシュモデルを設計します.キャッシュスペースには容量制限があり,時間的複雑さの要件はO(1)である.
ここで、「最近使用」とは、最近アクセスされたこと(cache.getによって呼び出されたこと)を意味します.
4、問題を解く構想
以上のcacheの操作は、追加(put)、検索(get)、置換(put)であり、容量制限があるため削除が必要であり、容量が満たされるたびに、最も長く使用されていないノードを削除する.
迅速な追加と削除のために、双方向チェーンテーブルを使用してcacheを設計できます.チェーンテーブルの最初から最後までのデータの順序は、(最近アクセスした)->です.(最も古いアクセス):
1)ノードの追加:新しいノードを表頭に挿入すればよく、時間複雑度O(1);
2)ノードの検索:ノードがクエリされるたびに,ノードをチェーンテーブルヘッダに移動し,時間的複雑度O(n)
3)ノードの置換:検索後に置換(ノードvalueを更新)し、ノードをチェーンテーブルヘッダに移動する.
ノードを検索する際,チェーンテーブルを遍歴する必要があるため,時間的複雑度O(n),O(1)に達するため,データ構造にハッシュ(hash)を加えることが考えられる.
=>双方向チェーンテーブル、ハッシュテーブルの2つのデータ構造で問題を解く必要があります.
概略図は次のとおりです.
5、コード例-Java

import java.util.*;

class Node{
	int key;
	int value;
	Node next;
	Node pre;
	public Node(int key,int value,Node pre, Node next){
		this.key = key;
		this.value = value;
		this.pre = pre;
		this.next = next;
	}
}

public class LRUCache {
	int capacity;
	int count;//cache size
	Node head;
	Node tail;
	HashMaphm;
    public LRUCache(int capacity) { //only initial 2 Node is enough, head/tail
    	this.capacity = capacity;
    	this.count = 2;
    	this.head = new Node(-1,-1,null,null);
    	this.tail = new Node(-2,-2,this.head,null);
    	this.head.next = this.tail;
        hm = new HashMap();
        hm.put(this.head.key, this.head);
        hm.put(this.tail.key, this.tail);
    }
    
    public int get(int key) {
    	int value = -1;
    	if(hm.containsKey(key)){
    		Node nd = hm.get(key);
    		value = nd.value;
    		detachNode(nd); //detach nd from current place
    		insertToHead(nd); //insert nd into head
    	}
		return value;
    }
    
    public void put(int key, int value) {
    	if(hm.containsKey(key)){ //update
    		Node nd = hm.get(key);
    		nd.value = value;
    		//move to head
    		detachNode(nd); //detach nd from current place
    		insertToHead(nd); //insert nd into head
    	}else{ //add
    		Node newNd = new Node(key,value,null,this.head);
    		this.head.pre = newNd; //insert into head
    		this.head = newNd;
    		hm.put(key, newNd); //add into hashMap
    		this.count ++;
    		if(this.count > capacity){ //need delete node
    			removeNode();
    		}
    	}
    }
    //common func
    public void insertToHead(Node nd){
    	this.head.pre = nd;
    	nd.next = this.head;
    	nd.pre = null;
    	this.head = nd;
    }
    public void detachNode(Node nd){
    	nd.pre.next = nd.next;
    	if(nd.next!=null){
    		nd.next.pre = nd.pre;
    	}else{
    		this.tail = nd.pre;
    	}
    }
    public void removeNode(){ //remove from tail
		int tailKey = this.tail.key;
		this.tail = this.tail.pre;
		this.tail.next = null;
		hm.remove(tailKey);
		this.count --;
    }
    public void printCache(){
    	System.out.println("
PRINT CACHE ------ ");
    	System.out.println("count: "+count);
    	System.out.println("From head:");
    	Node p = this.head;
    	while(p!=null){
    		System.out.println("key: "+p.key+" value: "+p.value);
    		p = p.next;
    	}
    	System.out.println("From tail:");
    	p = this.tail;
    	while(p!=null){
    		System.out.println("key: "+p.key+" value: "+p.value);
    		p = p.pre;
    	}
    	
    }
    
    public static void main(String[] args){
    	LRUCache lc = new LRUCache(3);
    	lc.printCache();
    	
    	lc.put(1, 1);
    	lc.put(2, 2);
    	lc.put(3, 3);
    	lc.printCache();
    	
    	lc.get(2);
    	lc.printCache();
    	
    	lc.put(4, 4);
    	lc.printCache();
    	
    	lc.get(1);
    	lc.printCache();
    	
    	lc.put(3, 33);
    	lc.printCache();	
    }
}

【注:】ここではhashmapとhashtableがjavaで使用する違い(異なるクラス、スレッドセキュリティ、拡張などに継承)を区別します.
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