JavaScript雙向鏈表實現(xiàn)LFU緩存算法

更新時間：2022年01月14日 09:46:57 作者：SADON_jung

本文主要介紹了JavaScript雙向鏈表實現(xiàn)LFU緩存算法，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

什么是LFU

LFU（Least Frequently Used），最近最少使用策略，也就是說在一段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)被使用頻次最少的，優(yōu)先被淘汰。
它是一種用于管理計算機(jī)內(nèi)存的緩存算法，采用LFU算法的最簡單方法是為每個加載到緩存的塊分配一個計數(shù)器。每次引用該塊時，計數(shù)器將增加一。當(dāng)緩存達(dá)到容量并有一個新的內(nèi)存塊等待插入時，系統(tǒng)將搜索計數(shù)器最低的塊并將其從緩存中刪除。

描述

請你為最不經(jīng)常使用（LFU）緩存算法設(shè)計并實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

實現(xiàn) LFUCache 類：

LFUCache(int capacity) - 用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的容量 capacity 初始化對象

int get(int key) - 如果鍵 key 存在于緩存中，則獲取鍵的值，否則返回 -1 。

void put(int key, int value) - 如果鍵 key 已存在，則變更其值；如果鍵不存在，請插入鍵值對。

當(dāng)緩存達(dá)到其容量 capacity 時，則應(yīng)該在插入新項之前，移除最不經(jīng)常使用的項。

在此問題中，當(dāng)存在平局（即兩個或更多個鍵具有相同使用頻率）時，應(yīng)該去除最近最久未使用的鍵。

為了確定最不常使用的鍵，可以為緩存中的每個鍵維護(hù)一個使用計數(shù)器。使用計數(shù)最小的鍵是最久未使用的鍵。

當(dāng)一個鍵首次插入到緩存中時，它的使用計數(shù)器被設(shè)置為 1 (由于 put 操作)。對緩存中的鍵執(zhí)行 get 或 put 操作，使用計數(shù)器的值將會遞增。

函數(shù) get 和 put 必須以 O(1) 的平均時間復(fù)雜度運(yùn)行。

解題思路

1、構(gòu)造節(jié)點結(jié)構(gòu)體

保存對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息

const LFUNode = function (
? key = "",
? val = "",
? freq = 0,
? pre = null,
? next = null
) {
? this.key = key;
? this.val = val;
? this.freq = freq;
? this.pre = pre;
? this.next = next;
};

2、構(gòu)造雙向鏈表

構(gòu)造帶有頭尾節(jié)點的雙向鏈表，head和tail為哨兵節(jié)點，不保存信息，僅用于標(biāo)記頭尾。

const LFULinkLine = function (node) {
? let head = new LFUNode("head");
? let tail = new LFUNode("tail");
? head.next = node;
? tail.pre = node;
? node.pre = head;
? node.next = tail;
? this.head = head;
? this.tail = tail;
};

3、編寫鏈表頭添加節(jié)點方法

將節(jié)點插入到鏈表的頭結(jié)點之后，其他節(jié)點往后移。

LFULinkLine.prototype.addNode = function (node) {
? this.head.next.pre = node;
? node.pre = this.head;
? node.next = this.head.next;
? this.head.next = node;
};

4、編寫刪除節(jié)點方法

將節(jié)點從鏈表中刪除。

LFULinkLine.prototype.removeNode = function (node) {
? node.pre.next = node.next;
? node.next.pre = node.pre;
};

5、構(gòu)造LRU緩存結(jié)構(gòu)體

構(gòu)造LRU緩存結(jié)構(gòu)體，具體信息如下代碼，capacity用于保存最大緩存數(shù)，即該類的容量；num保存當(dāng)前存儲的數(shù)據(jù)量，用于判別是否超出最大容量；minFreq保存當(dāng)前存儲的數(shù)據(jù)中的最小頻率，刪除的時候需要優(yōu)先刪除頻率最小的；kvMap保存節(jié)點詳細(xì)信息，索引為節(jié)點的key值，查詢可以直接從這里查出信息；freqMap保存對應(yīng)頻率的鏈表信息，索引為節(jié)點的freq（頻率），刪除的時候可以快速從這里獲取需要刪除節(jié)點的信息。

/**
?* @param {number} capacity
?*/
var LFUCache = function (capacity) {
? this.capacity = capacity;//最大緩存
? this.num = 0;//當(dāng)前數(shù)目
? this.minFreq = 0;//當(dāng)前最小頻率
? this.kvMap = new Map();//保存節(jié)點信息
? this.freqMap = new Map();//保存對應(yīng)頻率的鏈表信息
};

6、編寫get方法

get主要有以下兩種情況：

（1）節(jié)點存在

通過kvMap獲取到對應(yīng)節(jié)點
將節(jié)點從freqMap中刪除
判斷是否需要修改minFreq
修改節(jié)點的freq
重新將節(jié)點插入freqMap
返回節(jié)點的value

（2）節(jié)點不存在
容量capacity為0或者kvMap中沒有該節(jié)點信息，直接返回-1即可。

/**
?* @param {number} key
?* @return {number}
?*/
LFUCache.prototype.get = function (key) {
? if (this.capacity === 0) return -1;
? if (!this.kvMap.has(key)) return -1;
? //通過kvMap獲取到對應(yīng)節(jié)點
? let node = this.kvMap.get(key);
? let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? //將節(jié)點從freqMap中刪除
? linkLine.removeNode(node);
? //判斷是否需要修改minFreq
? //清空了
? if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
? ? this.freqMap.delete(node.freq);
? ? if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
? }
? //修改節(jié)點的freq
? node.freq++;
? //重新將節(jié)點插入freqMap
? if (this.freqMap.has(node.freq)) {
? ? linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? ? linkLine.addNode(node);
? } else {
? ? this.freqMap.set(node.freq, new LFULinkLine(node));
? }
? //返回節(jié)點的value
? return node.val;
};

7、編寫put方法

put操作主要有以下兩種情況：

（1）更新

通過kvMap獲取到對應(yīng)節(jié)點
將節(jié)點從freqMap中刪除
判斷是否需要修改minFreq
更新節(jié)點信息
重新將節(jié)點插入freqMap

（2）存入

存入情況下又有兩種情況：

容量已滿

通過minFreq找到需要刪除的節(jié)點
將節(jié)點從freqMap中刪除
判斷是否需要修改minFreq
將新節(jié)點插入freqMap
更新minFreq

容量未滿

修改num
將新節(jié)點插入freqMap
更新minFreq

/**
?* @param {number} key
?* @param {number} value
?* @return {void}
?*/
LFUCache.prototype.put = function (key, value) {
? if (this.capacity === 0) return;
? if (this.kvMap.has(key)) {
? ? //更新
? ? //通過kvMap獲取到對應(yīng)節(jié)點
? ? let node = this.kvMap.get(key);
? ? //將節(jié)點從freqMap中刪除
? ? let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? ? linkLine.removeNode(node);
? ? //判斷是否需要修改minFreq
? ? if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
? ? ? if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
? ? ? this.freqMap.delete(node.freq);
? ? }
? ? //更新節(jié)點信息
? ? node.val = value;
? ? node.freq++;
? ? //重新將節(jié)點插入freqMap
? ? if (this.freqMap.has(node.freq)) {
? ? ? linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? ? ? linkLine.addNode(node);
? ? } else {
? ? ? linkLine = new LFULinkLine(node);
? ? ? this.freqMap.set(node.freq, linkLine);
? ? }
? } else {//存入
? ? if (this.capacity == this.num) {//存滿
? ? ? //通過minFreq找到需要刪除的節(jié)點
? ? ? let freq = this.minFreq;
? ? ? let linkLine = this.freqMap.get(freq);
? ? ? let node = linkLine.tail.pre;
? ? ? //將節(jié)點從freqMap中刪除 ?
? ? ? linkLine.removeNode(node);
? ? ? this.kvMap.delete(node.key);
? ? ? //判斷是否需要修改minFreq
? ? ? if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
? ? ? ? this.freqMap.delete(node.freq);
? ? ? }
? ? } else {
? ? ? //修改num
? ? ? this.num++;
? ? }
? ? //將新節(jié)點插入freqMap
? ? let node = new LFUNode(key, value, 0);
? ? this.kvMap.set(key, node);
? ? if (this.freqMap.has(0)) {
? ? ? let linkLine = this.freqMap.get(0);
? ? ? linkLine.addNode(node);
? ? } else {
? ? ? let linkLine = new LFULinkLine(node);
? ? ? this.freqMap.set(0, linkLine);
? ? }
? ? //更新minFreq
? ? this.minFreq = 0;
? }
};

代碼

const LFUNode = function (
? key = "",
? val = "",
? freq = 0,
? pre = null,
? next = null
) {
? this.key = key;
? this.val = val;
? this.freq = freq;
? this.pre = pre;
? this.next = next;
};
const LFULinkLine = function (node) {
? let head = new LFUNode("head");
? let tail = new LFUNode("tail");
? head.next = node;
? tail.pre = node;
? node.pre = head;
? node.next = tail;
? this.head = head;
? this.tail = tail;
};
LFULinkLine.prototype.addNode = function (node) {
? this.head.next.pre = node;
? node.pre = this.head;
? node.next = this.head.next;
? this.head.next = node;
};
LFULinkLine.prototype.removeNode = function (node) {
? node.pre.next = node.next;
? node.next.pre = node.pre;
};

/**
?* @param {number} capacity
?*/
var LFUCache = function (capacity) {
? this.capacity = capacity;
? this.num = 0;
? this.minFreq = 0;
? this.kvMap = new Map();
? this.freqMap = new Map();
};

/**
?* @param {number} key
?* @return {number}
?*/
LFUCache.prototype.get = function (key) {
? if (this.capacity === 0) return -1;
? if (!this.kvMap.has(key)) return -1;
? let node = this.kvMap.get(key);
? let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? linkLine.removeNode(node);
? //清空了
? if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
? ? this.freqMap.delete(node.freq);
? ? if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
? }
? node.freq++;
? if (this.freqMap.has(node.freq)) {
? ? linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? ? linkLine.addNode(node);
? } else {
? ? this.freqMap.set(node.freq, new LFULinkLine(node));
? }
? return node.val;
};

/**
?* @param {number} key
?* @param {number} value
?* @return {void}
?*/
LFUCache.prototype.put = function (key, value) {
? if (this.capacity === 0) return;
? if (this.kvMap.has(key)) {
? ? //更新
? ? let node = this.kvMap.get(key);
? ? node.val = value;
? ? let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? ? linkLine.removeNode(node);
? ? if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
? ? ? if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
? ? ? this.freqMap.delete(node.freq);
? ? }
? ? node.freq++;
? ? if (this.freqMap.has(node.freq)) {
? ? ? linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
? ? ? linkLine.addNode(node);
? ? } else {
? ? ? linkLine = new LFULinkLine(node);
? ? ? this.freqMap.set(node.freq, linkLine);
? ? }
? } else {
? ? //存入
? ? if (this.capacity == this.num) {
? ? ? //存滿
? ? ? let freq = this.minFreq;
? ? ? let linkLine = this.freqMap.get(freq);
? ? ? let node = linkLine.tail.pre;
? ? ? linkLine.removeNode(node);
? ? ? this.kvMap.delete(node.key);

? ? ? if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
? ? ? ? this.freqMap.delete(node.freq);
? ? ? }
? ? } else {
? ? ? this.num++;
? ? }
? ? let node = new LFUNode(key, value, 0);
? ? this.kvMap.set(key, node);
? ? if (this.freqMap.has(0)) {
? ? ? let linkLine = this.freqMap.get(0);
? ? ? linkLine.addNode(node);
? ? } else {
? ? ? let linkLine = new LFULinkLine(node);
? ? ? this.freqMap.set(0, linkLine);
? ? }
? ? this.minFreq = 0;
? }
};

/**
?* Your LFUCache object will be instantiated and called as such:
?* var obj = new LFUCache(capacity)
?* var param_1 = obj.get(key)
?* obj.put(key,value)
?*/

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