C++实现LRU缓存(新手入门详解)
LRU的概念
LRU(Least Recently Used,最近最少使用)是一种常用的缓存淘汰策略,主要目的是在缓存空间有限的情况下,优先淘汰那些最长时间没有被访问的数据项。LRU 策略的核心思想是:
-
缓存空间有限:缓存只能存储一定数量的数据项。
-
淘汰最不常用的数据:当缓存满时,优先淘汰那些最近最少被访问的数据项。
-
访问记录:每次数据项被访问时,都会更新其访问记录,使得最近访问的数据项保留在缓存中。
-
数据替换:当需要加载新数据项到缓存中,但缓存已满时,会根据LRU策略淘汰一个或多个数据项,为新数据项腾出空间。
-
动态调整:随着数据访问模式的变化,LRU策略可以动态调整缓存中的数据项,以适应访问模式的变化。
在实现LRU缓存时,通常会使用数据结构如哈希表和双向链表。哈希表用于快速定位缓存中的数据项,而双向链表则用于维护数据项的访问顺序。每次访问数据项时,都会将其移动到链表的头部,表示它是最近被访问的。当需要淘汰数据时,直接从链表的尾部开始淘汰即可。
LRU策略在许多场景中都非常有用,比如操作系统的页面置换、数据库的查询缓存、Web服务器的页面缓存等。它可以帮助系统更有效地利用有限的缓存资源,提高系统的整体性能。
别急,我们先学实现LRU要用的哈希表和双向链表
哈希表(unordered_map)
在C++中,unordered_map
是标准模板库(STL)中的一个关联容器,它基于哈希表的实现。它存储了键值对,允许通过键快速访问和修改值。unordered_map
提供了平均常数时间复杂度的访问、插入和删除操作。
主要特性
- 基于哈希表:通过哈希函数将键映射到存储位置,实现快速查找。
- 键不重复:每个键在容器中是唯一的。
- 无序存储:元素的存储顺序不依赖于插入顺序,因此迭代器的遍历顺序可能与插入顺序不同。
常用操作
-
构造和初始化:
unordered_map()
:创建一个空的unordered_map
。unordered_map(initializer_list<value_type>)
:使用初始化列表创建unordered_map
。
-
插入操作:
insert(value_type)
:插入一个键值对。insert(initializer_list<value_type>)
:插入多个键值对。
-
访问操作:
operator[]
:通过键访问对应的值,如果键不存在,则插入一个新元素。at(key)
:通过键访问对应的值,如果键不存在,则抛出std::out_of_range
异常。
-
查找操作:
find(key)
:查找键是否存在,返回一个迭代器。count(key)
:返回键出现的次数(对于unordered_map
总是返回 0 或 1)。
-
删除操作:
erase(it)
:删除迭代器it
指向的元素。erase(first, last)
:删除从first
到last
(不包括last
)范围内的所有元素。erase(key)
:删除指定键的所有元素。
-
大小和容量:
size()
:返回容器中元素的数量。empty()
:如果容器为空,返回true
。
-
迭代器:
begin()
:返回指向容器开始的迭代器。end()
:返回指向容器结束的迭代器。
示例代码
以下是使用 unordered_map
的一个简单示例:
#include <iostream>
#include <unordered_map>int main() {// 创建一个 unordered_map,键为 int,值为 stringunordered_map<int, string> umap;// 插入元素umap[1] = "one";umap[2] = "two";umap[3] = "three";// 访问并打印元素for (const auto& pair : umap) {std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;}// 访问特定键的值try {std::cout << "Value for key 2: " << umap.at(2) << std::endl;} catch (const std::out_of_range& e) {std::cerr << e.what() << std::endl;}// 查找键是否存在auto it = umap.find(3);if (it != umap.end()) {std::cout << "Key 3 found, value: " << it->second << std::endl;}// 删除元素umap.erase(2);std::cout << "After erasing key 2:" << std::endl;for (const auto& pair : umap) {std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;}return 0;
}
输出:
1: one
2: two
3: three
Value for key 2: two
Key 3 found, value: three
After erasing key 2:
1: one
3: three
在这个示例中:
- 创建了一个
unordered_map
并插入了一些键值对。 - 遍历并打印了
unordered_map
中的所有元素。 - 使用
at()
方法安全地访问特定键的值。 - 使用
find()
方法查找键是否存在,并访问对应的值。 - 使用
erase()
方法删除了键为 2 的元素,并再次打印了剩余的元素。
双向链表(list)
在C++中,list
是标准模板库(STL)中的一个容器类,它提供了双向链表的实现。与数组或向量(vector
)不同,list
允许在任意位置高效地插入和删除元素,而不需要移动其他元素。
以下是 list
的一些主要特性和常用操作:
特性
- 双向链表:每个元素都是链表中的一个节点,可以从前向后或从后向前遍历。
- 动态大小:
list
的大小可以根据需要动态变化,不需要预先定义大小。 - 插入和删除操作:可以在常数时间内在任意位置插入或删除元素,不需要像
vector
那样移动其他元素。
常用操作
-
插入操作:
push_front(value)
:在链表头部插入一个元素。push_back(value)
:在链表尾部插入一个元素。insert(position, value)
:在指定位置插入一个元素。insert(position, n, value)
:在指定位置插入n
个相同的元素。insert(position, first, last)
:在指定位置插入一个范围内的元素。
-
删除操作:
pop_front()
:删除链表头部的元素。pop_back()
:删除链表尾部的元素。erase(position)
:删除指定位置的元素。erase(first, last)
:删除从first
到last
(不包括last
)范围内的所有元素。
-
访问操作:
front()
:返回链表头部的元素。back()
:返回链表尾部的元素。
-
迭代器:
begin()
:返回指向链表头部的迭代器。end()
:返回指向链表尾部的迭代器。
-
大小和容量:
size()
:返回链表中元素的数量。empty()
:如果链表为空,返回true
。
示例代码
以下是使用 list
的一个简单示例:
#include <iostream>
#include <list>int main() {list<int> myList;// 向链表中添加元素myList.push_back(10);myList.push_back(20);myList.push_front(5);// 访问并打印链表中的元素for (list<int>::iterator it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";}std::cout << std::endl;// 删除头部元素myList.pop_front();std::cout << "After popping front: ";for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";}std::cout << std::endl;// 删除尾部元素myList.pop_back();std::cout << "After popping back: ";for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}
输出:
5 10 20
After popping front: 10 20
After popping back: 10
在这个示例中,我们创建了一个 list
并添加了一些整数元素。然后,我们遍历并打印链表中的元素,删除头部和尾部的元素,并再次打印链表中的元素。
到这里,你已经掌握实现LRU缓存的两个条件了,马上你就要成功了!!!
真的,不信你往下看!
LRU缓存(C++)
#include <iostream>
#include <list>
#include <unordered_map>// 使用 using namespace std; 来简化代码,避免重复书写 std:: 前缀
using namespace std;// LRUCache 类定义
class LRUCache {
private:int capacity; // 缓存的容量list<int> keys; // 使用双向链表存储键,保持访问顺序unordered_map<int, pair<int, list<int>::iterator>> cache; // 存储键值对和对应的链表迭代器public:// 构造函数,初始化缓存容量LRUCache(int capacity) : capacity(capacity) {}// 获取缓存中键对应的值int get(int key) {auto it = cache.find(key);if (it == cache.end()) {return -1; // 如果键不存在,返回 -1}// 更新访问顺序,将该键移动到链表头部keys.erase(it->second.second);keys.push_front(key);it->second.second = keys.begin();return it->second.first; // 返回键对应的值}// 插入或更新缓存中的键值对void put(int key, int value) {if (cache.size() >= capacity && cache.find(key) == cache.end()) {// 如果缓存已满且键不存在,淘汰最不常用的键(链表尾部的键)auto last = keys.back();cache.erase(cache.find(last));keys.pop_back();}// 插入或更新键值对,并更新访问顺序cache[key] = {value, keys.insert(keys.begin(), key)};}
};int main() {// 创建一个容量为 2 的 LRU 缓存LRUCache cache(2);// 插入键值对 (1, 1)cache.put(1, 1);// 访问键 1,输出其值cout << "get(1) = " << cache.get(1) << endl; // 返回 1// 插入键值对 (2, 2)cache.put(2, 2);// 访问键 2,输出其值cout << "get(2) = " << cache.get(2) << endl; // 返回 2// 插入键值对 (3, 3),由于缓存已满,键 1 被淘汰cache.put(3, 3);// 访问键 1,由于已被淘汰,返回 -1cout << "get(1) = " << cache.get(1) << endl; // 返回 -1// 访问键 3,输出其值cout << "get(3) = " << cache.get(3) << endl; // 返回 3// 插入键值对 (4, 4),由于缓存已满,键 2 被淘汰cache.put(4, 4);// 访问键 1,由于已被淘汰,返回 -1cout << "get(1) = " << cache.get(1) << endl; // 返回 -1// 访问键 3,输出其值cout << "get(3) = " << cache.get(3) << endl; // 返回 3// 访问键 2,由于已被淘汰,返回 -1cout << "get(2) = " << cache.get(2) << endl; // 返回 -1// 访问键 4,输出其值cout << "get(4) = " << cache.get(4) << endl; // 返回 4return 0;
}
这段代码首先定义了一个 LRUCache
类,该类使用 unordered_map
和 list
来实现 LRU 缓存机制。get
方法用于获取缓存中的值,如果键存在,则返回其值并更新访问顺序;如果键不存在,则返回 -1。put
方法用于插入或更新缓存中的键值对,如果缓存已满,则淘汰最不常用的键(链表尾部的键)。在 main
函数中,创建了一个 LRUCache
对象并进行了一些操作来演示其功能。
什么?看不懂?没关系,结合下面的过程看,你应该就明白了!
初始化状态
Cache: {}
Keys: []
执行 cache.put(1, 1)
Cache: {1: (1, it1)}
Keys: [1]
执行 cache.put(2, 2)
Cache: {1: (1, it1), 2: (2, it2)}
Keys: [2, 1] (2 最近使用,1 最少使用)
执行 cache.put(3, 3)
- 缓存已满,淘汰键 1
Cache: {2: (2, it2), 3: (3, it3)}
Keys: [3, 2] (3 最近使用,2 次之)
执行 cache.get(1)
- 键 1 不存在,返回 -1
Cache: {2: (2, it2), 3: (3, it3)}
Keys: [3, 2]
执行 cache.get(3)
- 键 3 存在,返回 3,并更新为最近使用
Cache: {2: (2, it2), 3: (3, it3)}
Keys: [3, 2]
执行 cache.put(4, 4)
- 缓存已满,淘汰键 2
Cache: {3: (3, it3), 4: (4, it4)}
Keys: [4, 3] (4 最近使用,3 次之)
执行 cache.get(1)
- 键 1 不存在,返回 -1
Cache: {3: (3, it3), 4: (4, it4)}
Keys: [4, 3]
执行 cache.get(3)
- 键 3 存在,返回 3,并更新为最近使用
Cache: {3: (3, it3), 4: (4, it4)}
Keys: [3, 4]
执行 cache.get(2)
- 键 2 不存在,返回 -1
Cache: {3: (3, it3), 4: (4, it4)}
Keys: [3, 4]
执行 cache.get(4)
- 键 4 存在,返回 4,并更新为最近使用
Cache: {3: (3, it3), 4: (4, it4)}
Keys: [4, 3]
至此,你就算没有台明白,也一定了解LRU了。收藏可以方便下次巩固哦!!!!
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