如何通過(guò)Golang的container/list實(shí)現(xiàn)LRU緩存算法
在 Go 語(yǔ)言中,container/list 包提供了一個(gè)雙向鏈表的實(shí)現(xiàn)。鏈表是一種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),適用于頻繁插入和刪除操作的場(chǎng)景。container/list 包中的鏈表是雙向的,意味著每個(gè)元素都包含指向前一個(gè)和后一個(gè)元素的指針。
力扣:146. LRU 緩存
力扣算法鏈接:https://leetcode.cn/problems/lru-cache/?envType=study-plan-v2&envId=top-100-liked
請(qǐng)你設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足 LRU (最近最少使用) 緩存 約束的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
實(shí)現(xiàn) LRUCache 類(lèi):
LRUCache(int capacity) 以 正整數(shù) 作為容量 capacity 初始化 LRU 緩存。
int get(int key) 如果關(guān)鍵字 key 存在于緩存中,則返回關(guān)鍵字的值,否則返回 -1 。
void put(int key, int value) 如果關(guān)鍵字 key 已經(jīng)存在,則變更其數(shù)據(jù)值 value ;如果不存在,則向緩存中插入該組 key-value 。如果插入操作導(dǎo)致關(guān)鍵字?jǐn)?shù)量超過(guò) capacity ,則應(yīng)該 逐出 最久未使用的關(guān)鍵字。
函數(shù) get 和 put 必須以 O(1) 的平均時(shí)間復(fù)雜度運(yùn)行。
輸入
[“LRUCache”, “put”, “put”, “get”, “put”, “get”, “put”, “get”, “get”, “get”]
[[2], [1, 1], [2, 2], [1], [3, 3], [2], [4, 4], [1], [3], [4]]
輸出
[null, null, null, 1, null, -1, null, -1, 3, 4]
解釋
LRUCache lRUCache = new LRUCache(2);
lRUCache.put(1, 1); // 緩存是 {1=1}
lRUCache.put(2, 2); // 緩存是 {1=1, 2=2}
lRUCache.get(1); // 返回 1
lRUCache.put(3, 3); // 該操作會(huì)使得關(guān)鍵字 2 作廢,緩存是 {1=1, 3=3}
lRUCache.get(2); // 返回 -1 (未找到)
lRUCache.put(4, 4); // 該操作會(huì)使得關(guān)鍵字 1 作廢,緩存是 {4=4, 3=3}
lRUCache.get(1); // 返回 -1 (未找到)
lRUCache.get(3); // 返回 3
lRUCache.get(4); // 返回 4
代碼案例:
type Node struct {
key int
value int
}
type LRUCache struct {
capacity int
list *list.List
mp map[int]*list.Element // 注意1:value是list.Element
}
func Constructor(capacity int) LRUCache {
return LRUCache{
capacity: capacity,
list: list.New(),
mp: make(map[int]*list.Element),
}
}
func (this *LRUCache) Get(key int) int {
if v, ok := this.mp[key]; ok {
this.list.MoveToFront(v)
return v.Value.(*Node).value // 注意2:list.Element里面有一個(gè)Value any字段,所以需要斷言
}
return -1
}
func (this *LRUCache) Put(key int, value int) {
if v, ok := this.mp[key]; ok {
v.Value.(*Node).value = value
this.list.MoveToFront(v) // 注意3:需要移動(dòng),LRU
return
}
node := &Node{key, value}
a := this.list.PushFront(node)
this.mp[key] = a // 注意4:一定把插入鏈表的kv,也加入到哈希表
if this.list.Len() > this.capacity { // 注意5:判斷是否越界
tmp := this.list.Back()
delete(this.mp, tmp.Value.(*Node).key) // 注意6:刪除已經(jīng)淘汰的數(shù)據(jù)的key
this.list.Remove(tmp)
}
}主要結(jié)構(gòu) List 和 Element
List: 表示一個(gè)雙向鏈表。
type List struct {
root Element // sentinel list element, only &root, root.prev, and root.next are used
len int // current list length excluding (this) sentinel element
}Element: 表示鏈表中的一個(gè)元素。
type Element struct {
next, prev *Element
list *List
Value any
}常用方法
1. 初始化鏈表
使用 list.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的鏈表。
func main() {
l := list.New()
fmt.Printf("%+v\n",l)
}
2. 插入元素
- PushBack(value interface{}) *Element: 在鏈表尾部插入一個(gè)元素。
- PushFront(value interface{}) *Element: 在鏈表頭部插入一個(gè)元素。
- InsertBefore(value interface{}, mark *Element) *Element: 在指定元素前插入一個(gè)元素。
- InsertAfter(value interface{}, mark *Element) *Element: 在指定元素后插入一個(gè)元素。
func main() {
l := list.New()
l.PushBack(123)
l.PushBack("nihao")
l.PushFront("你好")
l.PushFront(3.1415926)
// 遍歷
for e := l.Front(); e != nil; e = e.Next() {
fmt.Printf("%+v\n", e)
}
}通過(guò)運(yùn)行結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),list其實(shí)就是一個(gè)環(huán)形的雙向鏈表。

3. 刪除元素
Remove(e *Element) interface{}: 刪除鏈表中的指定元素。
func main() {
l := list.New()
l.PushBack("nihao")
a:=l.Remove(l.Back())
fmt.Println(a)
}
4. 遍歷鏈表
- Front() *Element: 返回鏈表的第一個(gè)元素。
- Back() *Element: 返回鏈表的最后一個(gè)元素。
- Next() *Element: 返回當(dāng)前元素的下一個(gè)元素。
- Prev() *Element: 返回當(dāng)前元素的前一個(gè)元素。
func main() {
l := list.New()
l.PushBack(1)
l.PushBack(2)
l.PushBack(3)
// 從前往后遍歷
for e := l.Front(); e != nil; e = e.Next() {
fmt.Println(e.Value)
}
// 從后往前遍歷
for e := l.Back(); e != nil; e = e.Prev() {
fmt.Println(e.Value)
}
}5. 獲取鏈表長(zhǎng)度
Len() int: 返回鏈表中元素的個(gè)數(shù)。
func main() {
l := list.New()
l.PushBack(1)
l.PushBack(2)
l.PushBack(3)
fmt.Println(l.Len()) // 輸出: 3
}使用場(chǎng)景
- 頻繁插入和刪除: 鏈表在插入和刪除操作上比數(shù)組更高效,尤其是在中間位置。
- 實(shí)現(xiàn)隊(duì)列和棧: 鏈表可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)隊(duì)列(FIFO)和棧(LIFO)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
- 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ): 當(dāng)數(shù)據(jù)量不確定或需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整時(shí),鏈表是一個(gè)很好的選擇。
注意事項(xiàng)
- 內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo): 鏈表的每個(gè)元素都需要額外的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)前后指針,因此內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)比數(shù)組大。
- 隨機(jī)訪問(wèn)性能差: 鏈表不支持隨機(jī)訪問(wèn),訪問(wèn)某個(gè)元素需要從頭或尾開(kāi)始遍歷。
源代碼閱讀
// Copyright 2009 The Go Authors. All rights reserved.
// Use of this source code is governed by a BSD-style
// license that can be found in the LICENSE file.
// Package list implements a doubly linked list.
//
// To iterate over a list (where l is a *List):
//
// for e := l.Front(); e != nil; e = e.Next() {
// // do something with e.Value
// }
package list
// Element is an element of a linked list.
type Element struct {
//雙鏈表元素中的下一個(gè)和上一個(gè)指針。
//為了簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn),在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了列表l
//作為一個(gè)環(huán),這樣&l.root既是最后一個(gè)元素的下一個(gè)元素
//list元素(l.Back())和第一個(gè)列表的前一個(gè)元素
//元素(l.Front())。
next, prev *Element
// The list to which this element belongs.
list *List
// The value stored with this element.
Value any
}
// Next returns the next list element or nil.
func (e *Element) Next() *Element {
if p := e.next; e.list != nil && p != &e.list.root {
return p
}
return nil
}
// Prev returns the previous list element or nil.
func (e *Element) Prev() *Element {
if p := e.prev; e.list != nil && p != &e.list.root {
return p
}
return nil
}
// List represents a doubly linked list.
// The zero value for List is an empty list ready to use.
type List struct {
root Element // sentinel list element, only &root, root.prev, and root.next are used
len int // current list length excluding (this) sentinel element
}
// Init initializes or clears list l.
func (l *List) Init() *List {
l.root.next = &l.root
l.root.prev = &l.root
l.len = 0
return l
}
// New returns an initialized list.
func New() *List { return new(List).Init() }
// Len returns the number of elements of list l.
// The complexity is O(1).
func (l *List) Len() int { return l.len }
// Front returns the first element of list l or nil if the list is empty.
func (l *List) Front() *Element {
if l.len == 0 {
return nil
}
return l.root.next
}
// Back returns the last element of list l or nil if the list is empty.
func (l *List) Back() *Element {
if l.len == 0 {
return nil
}
return l.root.prev
}
// lazyInit lazily initializes a zero List value.
func (l *List) lazyInit() {
if l.root.next == nil {
l.Init()
}
}
// insert inserts e after at, increments l.len, and returns e.
func (l *List) insert(e, at *Element) *Element {
e.prev = at
e.next = at.next
e.prev.next = e
e.next.prev = e
e.list = l
l.len++
return e
}
// insertValue is a convenience wrapper for insert(&Element{Value: v}, at).
func (l *List) insertValue(v any, at *Element) *Element {
return l.insert(&Element{Value: v}, at)
}
// remove removes e from its list, decrements l.len
func (l *List) remove(e *Element) {
e.prev.next = e.next
e.next.prev = e.prev
e.next = nil // avoid memory leaks
e.prev = nil // avoid memory leaks
e.list = nil
l.len--
}
// move moves e to next to at.
func (l *List) move(e, at *Element) {
if e == at {
return
}
e.prev.next = e.next
e.next.prev = e.prev
e.prev = at
e.next = at.next
e.prev.next = e
e.next.prev = e
}
// Remove removes e from l if e is an element of list l.
// It returns the element value e.Value.
// The element must not be nil.
func (l *List) Remove(e *Element) any {
if e.list == l {
// if e.list == l, l must have been initialized when e was inserted
// in l or l == nil (e is a zero Element) and l.remove will crash
l.remove(e)
}
return e.Value
}
// PushFront inserts a new element e with value v at the front of list l and returns e.
func (l *List) PushFront(v any) *Element {
l.lazyInit()
return l.insertValue(v, &l.root)
}
// PushBack inserts a new element e with value v at the back of list l and returns e.
func (l *List) PushBack(v any) *Element {
l.lazyInit()
return l.insertValue(v, l.root.prev)
}
// InsertBefore inserts a new element e with value v immediately before mark and returns e.
// If mark is not an element of l, the list is not modified.
// The mark must not be nil.
func (l *List) InsertBefore(v any, mark *Element) *Element {
if mark.list != l {
return nil
}
// see comment in List.Remove about initialization of l
return l.insertValue(v, mark.prev)
}
// InsertAfter inserts a new element e with value v immediately after mark and returns e.
// If mark is not an element of l, the list is not modified.
// The mark must not be nil.
func (l *List) InsertAfter(v any, mark *Element) *Element {
if mark.list != l {
return nil
}
// see comment in List.Remove about initialization of l
return l.insertValue(v, mark)
}
// MoveToFront moves element e to the front of list l.
// If e is not an element of l, the list is not modified.
// The element must not be nil.
func (l *List) MoveToFront(e *Element) {
if e.list != l || l.root.next == e {
return
}
// see comment in List.Remove about initialization of l
l.move(e, &l.root)
}
// MoveToBack moves element e to the back of list l.
// If e is not an element of l, the list is not modified.
// The element must not be nil.
func (l *List) MoveToBack(e *Element) {
if e.list != l || l.root.prev == e {
return
}
// see comment in List.Remove about initialization of l
l.move(e, l.root.prev)
}
// MoveBefore moves element e to its new position before mark.
// If e or mark is not an element of l, or e == mark, the list is not modified.
// The element and mark must not be nil.
func (l *List) MoveBefore(e, mark *Element) {
if e.list != l || e == mark || mark.list != l {
return
}
l.move(e, mark.prev)
}
// MoveAfter moves element e to its new position after mark.
// If e or mark is not an element of l, or e == mark, the list is not modified.
// The element and mark must not be nil.
func (l *List) MoveAfter(e, mark *Element) {
if e.list != l || e == mark || mark.list != l {
return
}
l.move(e, mark)
}
// PushBackList inserts a copy of another list at the back of list l.
// The lists l and other may be the same. They must not be nil.
func (l *List) PushBackList(other *List) {
l.lazyInit()
for i, e := other.Len(), other.Front(); i > 0; i, e = i-1, e.Next() {
l.insertValue(e.Value, l.root.prev)
}
}
// PushFrontList inserts a copy of another list at the front of list l.
// The lists l and other may be the same. They must not be nil.
func (l *List) PushFrontList(other *List) {
l.lazyInit()
for i, e := other.Len(), other.Back(); i > 0; i, e = i-1, e.Prev() {
l.insertValue(e.Value, &l.root)
}
}到此這篇關(guān)于如何通過(guò)Golang的container/list實(shí)現(xiàn)LRU緩存算法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)go LRU緩存算法內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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