LRU缓存机制

题目描述：
运用你所掌握的数据结构，设计和实现一个 LRU (最近最少使用) 缓存机制。它应该支持以下操作： 获取数据 get 和 写入数据 put 。
获取数据 get(key) - 如果关键字 (key) 存在于缓存中，则获取关键字的值（总是正数），否则返回 -1。
写入数据 put(key, value) - 如果关键字已经存在，则变更其数据值；如果关键字不存在，则插入该组「关键字/值」。当缓存容量达到上限时，它应该在写入新数据之前删除最久未使用的数据值，从而为新的数据值留出空间。
分析上面的操作过程，要让 put 和 get 方法的时间复杂度为 O(1)，我们可以总结出 cache 这个数据结构必要的条件：查找快，插入快，删除快，有顺序之分。

因为显然 cache 必须有顺序之分，以区分最近使用的和久未使用的数据；而且我们要在 cache 中查找键是否已存在；如果容量满了要删除最后一个数据；每次访问还要把数据插入到队头。

那么，什么数据结构同时符合上述条件呢？哈希表查找快，但是数据无固定顺序；链表有顺序之分，插入删除快，但是查找慢。所以结合一下，形成一种新的数据结构：哈希链表。

LRU 缓存算法的核心数据结构就是哈希链表，双向链表和哈希表的结合体。这个数据结构长这样：

image.png

思想很简单，就是借助哈希表赋予了链表快速查找的特性嘛：可以快速查找某个 key 是否存在缓存（链表）中，同时可以快速删除、添加节点。

作者：labuladong
链接：https://leetcode-cn.com/problems/lru-cache/solution/lru-ce-lue-xiang-jie-he-shi-xian-by-labuladong/
来源：力扣（LeetCode）
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示例：
LRUCache cache = new LRUCache( 2 /* 缓存容量 */ );

cache.put(1, 1);
cache.put(2, 2);
cache.get(1); // 返回 1
cache.put(3, 3); // 该操作会使得关键字 2 作废
cache.get(2); // 返回 -1 (未找到)
cache.put(4, 4); // 该操作会使得关键字 1 作废
cache.get(1); // 返回 -1 (未找到)
cache.get(3); // 返回 3
cache.get(4); // 返回 4

Java代码：

class LRUCache {
    private Map<Integer, Node> map;
    private ListNode listNode;
    private int capacity;

    public LRUCache(int capacity) {
        map = new HashMap<>();
        listNode = new ListNode();
        this.capacity = capacity;
    }
    
    public int get(int key) {
        Node node = map.get(key);
        if(node == null) return -1;

        put(key, node.getValue());
        return node.getValue();
    }
    
    public void put(int key, int value) {
        Node existNode = map.get(key);
        if(existNode == null) {
            if(listNode.getSize() >= capacity) {
                Node deleteNode = listNode.deleteFirst();
                map.remove(deleteNode.getKey());
            }
        }
        Node node = new Node(key, value);
        map.put(key, node);
        listNode.removeNode(existNode);
        listNode.addEnd(node);
    }

    public class Node{
        private int key;
        private int value;
        private Node pre;
        private Node next;

        public Node (int key, int value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }

        public int getKey() {
            return key;
        }

        public int getValue() {
            return value;
        }
    }

    public class ListNode{
        private Node first;
        private Node end;
        private int size;

        public ListNode() {
            first = null;
            end = null;
            size = 0;
        }

        public Node deleteFirst() {
            if(first == null) return null;
            Node temp = first;
            if(first == end) {
                first = null;
                end = null;
            }else {
                first = first.next;
                first.pre = null;
            }

            size--;
            return temp;
        }

        public void addEnd(Node node) {
            if(end == null) {
                first = node;
                end = node;
            }else {
                end.next = node;
                node.pre = end;
                end = node;
            }
            size++;
        }

        public void removeNode(Node node) {
            if(node == null) return;
            if(node == first && node == end) {
                first = null;
                end = null;
            }else if(node == first) {
                first = first.next;
                first.pre = null;
            }else if(node == end) {
                end = end.pre;;
                end.next = null;
            }else {
                node.pre.next = node.next;
                node.next.pre = node.pre;
            }
            size--;
        }

        public int getSize() {
            return size;
        }
    }
}

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