LRU缓存机制实现(Go版本)

在我第一次写LRU时，使用map+列表的形式，map使得get和set的时间复杂度为O(1)，列表维护插入元素的顺序，当get或set元素时，将元素移动或插入到队头；当达到LRU缓存容量上限时，将列表尾部元素去除掉。

但是在列表中调整元素顺序时，时间复杂度达不到O(1)。

今天写了一个改进版，使用map+双向链表的形式。map存储key和链表节点的指针，双向链表中既存储key也存储value。map依然用来使get和set的时间复杂度为O(1)，当需要将元素移动到队头时，仅需通过map找到节点，将节点左右连接打断，然后插入到队头，当删除元素或队头插入元素时，仅需找到头尾节点再进行插入或删除就可以了。这样取代列表后，时间复杂度变为O(1)。

引用一张图来说明这个结构。

操作流程：

get操作：

• 在map中存在：将元素移动至链表头节点，返回value值
• 在map中不存在：返回-1

set操作：

• 在map中存在：修改节点中value的值，然后将节点移动到链表头节点
• 在map中不存在：
• • 没有达到cap上限：构建节点，map中存储此节点，然后将节点插入到头节点
  • 达到cap上限：先删除链表队尾元素，删除map中的key。然后构建节点，map中存储此节点，然后将节点插入到头节点

代码：

package main

import "fmt"

// map用来get 和 set，双向链表保持相对顺序
// 为什么用双向链表？因为在删除节点时，以及插入到头部时，时间复杂度都是1

type Node struct {
    pre *Node
    next *Node
    key int // 方便删除map中的key
    value int //
}

type lruCache struct {
    cap int  // 存储容量，达到容量后再插入则需要删除元素
    headNode *Node  // 双向链表头节点，
    tailNode *Node  // 双向链表尾节点，
    nodeMap map[int]*Node  // 使得get、set操作时间复杂度为1
}

func (l *lruCache) get(k int) int {
    node := l.nodeMap[k]
    if node == nil{
        return -1
    }
    // 获取元素，并将此元素移动到head头位置
    headNode := l.headNode
    // 将节点截取
    node.pre.next = node.next
    node.next.pre = node.pre
    // 然后将此节点插入到头节点
    headNode.next.pre = node
    node.next = headNode.next
    headNode.next = node
    node.pre = headNode

    v := node.value
    return v
}

func (l *lruCache) set(k, v int) {
    node := l.nodeMap[k]
    // 第一种情况，k在map中不存在，直接插入到头节点
    if node == nil{
        // 考虑lru的容量，达到容量后则要删除尾部元素(直接让尾部元素的指针断开)
        if len(l.nodeMap) == l.cap {
            lastNode := l.tailNode.pre
            lastNode.pre.next = l.tailNode
            l.tailNode.pre = lastNode.pre
            lastNode.pre = nil
            lastNode.next = nil
            // map中也要删除
            deleteKey := lastNode.key
            delete(l.nodeMap, deleteKey)
        }
        newNode := &Node{
            pre:   l.headNode,
            next:  l.headNode.next,
            key:   k,
            value: v,
        }
        l.headNode.next = newNode
        newNode.next.pre = newNode
        // map中设置值
        l.nodeMap[k] = newNode
    }else{
        // 第二种情况，key在map中存在。将map的值更改，然后将此值移动到头部
        node.value = v
        // 将节点截取
        node.pre.next = node.next
        node.next.pre = node.pre
        // 然后将此节点插入到头节点
        firstNode := l.headNode
        secondNode := l.headNode.next
        firstNode.next = node
        secondNode.pre = node
        node.next = secondNode
        node.pre = firstNode
    }

}



func main() {
    head := &Node{
        pre: nil,
        next: nil,
        key: 0,
        value: 0,
    }
    tail := &Node{
        pre: nil,
        next: nil,
        key: 0,
        value: 0,
    }
    head.next = tail
    tail.pre = head
    lru := lruCache{
        cap: 2,
        headNode: head,
        tailNode: tail,
        nodeMap: make(map[int]*Node),
    }
    lru.set(1,1)
    lru.set(2, 2)
    re := lru.get(1)
    fmt.Println(re)  // 1
    lru.set(3,3)
    re = lru.get(2)
    fmt.Println(re)  // -1
    re = lru.get(3)
    fmt.Println(re)  // 3
    lru.set(4, 4)
    re = lru.get(1)
    fmt.Println(re)  // -1
    re = lru.get(3)
    fmt.Println(re)  // 3
    re = lru.get(4)
    fmt.Println(re)  // 4
}