460.LFU缓存

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

思路：两个哈希表+双向链表

unordered_map key_map;//
unordered_map freq_map;//<频率，频率相等的结点构成的双向链表>

超详细图解+动图演示 460. LFU缓存 - LFU 缓存 - 力扣（LeetCode）

struct Node
//结构体内只能存数据，不能存方法，默认public，可以有构造函数
{
    int key;
    int value;
    int freq;
    Node* prev;
    Node* next;
    Node():key(0),value(0),freq(0),prev(nullptr),next(nullptr) {}
    Node(int key,int value,int freq):key(key),value(value),freq(freq),prev(nullptr),next(nullptr) {}
};
class LinkedList
//定义双向链表类，因为需要存方法
{
private:
Node* head;//头结点
Node* tail;//尾结点
public:
    LinkedList()//构造函数初始化一个只有头尾结点的双向链表
    {
        head=new Node();
        tail=new Node();
        head->next=tail;
        tail->prev=head;
    }
    void addToTail(Node* node)//尾插
    {
        node->prev=tail->prev;
        tail->prev->next=node;
        node->next=tail;
        tail->prev=node;
    }
    void remove(Node* node)//删除一个结点
    {
        node->prev->next=node->next;
        node->next->prev=node->prev;
    }
    Node* deleHead()//删除头结点
    {
        Node* removed=head->next;
        remove(removed);
        return removed;
    }
    bool isEmpty()
    {
        if(head->next==tail)
        return true;
        else
        return false;
    }
};
class LFUCache {
private:
unordered_map<int,Node*> key_map;//
unordered_map<int,LinkedList*> freq_map;//<频率，频率相等的结点构成的双向链表>
int minfreq;//最小频率，用来快速定位freq_map中频率最小的双向链表
int capacity;
public:
    LFUCache(int capacity):minfreq(0),capacity(capacity)
    {
        key_map.clear();
        freq_map.clear();
    }
    int get(int key) {
        if(capacity==0) return -1;//容量为0，返回-1
        if(!key_map.count(key))
        {
            return -1;
        }
        else 
        {
            Node* node=key_map[key];
            int count=node->freq;
            freq_map[count]->remove(node);//从这个频率所对应的双向链表freq_map中删除掉当前这个节点node
            if(freq_map[count]->isEmpty()&&minfreq==count)//删除掉之后，如果这个频率对应的双向链表为空，且最小频率minfreq等于这个频率
            {
                minfreq++;//最小频率加1
            }
            count++;//get了一次，所以频率加一
            node->freq=count;
            if(!freq_map.count(count))//如果新的频率不在freq_map中，就新建一个
            {
                freq_map[count]=new LinkedList();
            }
            freq_map[count]->addToTail(node);//尾插到对应频率的双向链表中
            return node->value;
        }
    }
    
    void put(int key, int value) {
        if(capacity==0) return ;//容量为0，直接返回
        if(key_map.count(key))//如果已经有这个key了
        {
            Node* node=key_map[key];
            node->value=value;//更新value值
            get(key);
            return ;
        }
        else
        {
            if(key_map.size()==capacity)//如果容量已满
            {
                Node* removed=freq_map[minfreq]->deleHead();//删除最小频率对应的双向链表中的头结点
                key_map.erase(removed->key);
            }
            Node* node=new Node(key,value,1);//新建的结点，频率初始为1
            key_map[key]=node;
            minfreq=1;//更新最小频率为1
            if(!freq_map.count(1))//如果频率1不在freq_map中，就新建一个
            {
                freq_map[1]=new LinkedList();
            }
            freq_map[1]->addToTail(node);
        }
    }
};
 
/**
 * Your LFUCache object will be instantiated and called as such:
 * LFUCache* obj = new LFUCache(capacity);
 * int param_1 = obj->get(key);
 * obj->put(key,value);
 */