LFU缓存结构
LFU
LFU (Least frequently used) 最不经常使用，如果一个数据在最近一段时间内使用次数很少，那么在将来一段时间内被使用的可能性也很小。实现一个LFU缓存结构需要实现如下功能：
- set(key, value)：将记录(key, value)插入该结构
- get(key)：返回key对应的value值
但是缓存结构中最多放K条记录，如果新的第K+1条记录要加入，就需要根据策略删掉一条记录，然后才能把新记录加入。这个策略为：在缓存结构的K条记录中，哪一个key从进入缓存结构的时刻开始，被调用set或者get的次数最少，就删掉这个key的记录；
如果调用次数最少的key有多个，上次调用发生最早的key被删除
这就是LFU缓存替换算法。实现这个结构，K作为参数给出
[要求]
set和get方法的时间复杂度为O(1)
解决思路
整体结构设计成发生set和get操作次数一样的key，都放在一个双向链表中（桶）。对于不同的操作次数，分别设置桶，然后桶和桶之间按照操作次数从小到大串起来，桶和桶之间也看作是一个双向链表。如下图所示：
该结构中，数据进行更新的规则是：
当某一个key发生set和get时，来到key所在的位置，把key从原来的桶中去掉，也就是key的上一个节点和下一个节点直接相连，然后把key放在操作次数+1的桶中，
如果没有次数+1的桶就新建，保证桶之间依然是双向链表的的链接；
如果已经有次数加1的桶，就把key放在这个桶的头部；
如果key原来所在的桶中只有key这一条记录，就删除原来的桶，保证桶之间仍然是双向链表的链接。
需要注意的是，桶和桶之间是双向链表，桶内部的的节点之间也是双向链表。本结构的难点在于，实现代码时需要维系桶之间、节点之间始终是双向链表这个关系。当结构中记录已经达到了k条，此时又有新的节点进来时，就需要删除一个节点，删除最左边的桶的尾节点即可。
实现时需要借助两个map，第一个map的key和value分别是节点的key和节点对象node；第二个map的key和value分别是节点对象node和节点对象所在的桶NodeList。
实现代码
import java.util.HashMap;
public class LFUCache {
private int capacity; // 缓存容量
private int size; // 缓存中当前的节点数量
private HashMap<Integer,Node> records;
// 表示节点Node在哪个桶中
private HashMap<Node,NodeList> heads;
private NodeList headList; //整个结构中位于最左边的桶
public LFU(int K){
this.capacity = K;
this.size = 0;
this.records = new HashMap<>();
this.heads = new HashMap<>();
headList = null;
}
/**
* 该函数的功能是：判断刚刚减少了一个节点的桶是否已经为空
* 1、如果不为空，则什么也不做
*
* 2、如果为空，且removeNodeList是整个缓存结构中最左边的桶，则删除这个桶，同时让缓存结构
* 中最左边的桶变为removeNodeList的下一个桶
*
* 3、如果为空，且removeNodeList不是整个缓存结构中最左边的桶，则删除这个桶，将removeNodeList前后的桶修改为
* 直接双向连接
* @param removeNodeList 表示刚刚减少了一个Node节点的桶
* @return 返回值表示removeNodeList是否已经为空，空则返回true，否则返回false
*/
private boolean modifyHeadList(NodeList removeNodeList){
if (removeNodeList.isEmpty()){
if (headList == removeNodeList){
headList = removeNodeList.next;
// 避免此时只有一个removeNodeList一个桶，而造成空指针异常
if (headList != null){
headList.prev = null;
}
}else {
removeNodeList.prev.next = removeNodeList.next;
// 避免removeNodeList是最右边的桶，然后造成removeNodeList.next.prev产生空指针异常
if (removeNodeList.next != null){
removeNodeList.next.prev = removeNodeList.prev;
}
}
return true;
}
return false;
}
/**
* 函数功能：当node节点的操作次数加1了，将这个节点从原来的桶中放入操作次数+1的桶中
* 整个过程要保证桶之间仍然是双向链表，也要保证节点之间仍然是双向链表
* @param node 要移动位置的节点
* @param oldNodeList node未移动位置之前所在的桶
*/
private void move(Node node,NodeList oldNodeList){
oldNodeList.deleteNode(node);
// preList表示操作次数加1的后对应的那个桶的前一个桶
// 如果oldNodeList删除node之后，空了，此时需要将oldNodeList删掉，那么次数加1后对应的那个桶的前一个桶就是oldNodeList.prev
// 如果oldNodeList删除node之后，不空，那么oldNodeList依然是次数加1后对应的那个桶的前一个桶
NodeList preList = modifyHeadList(oldNodeList) ? oldNodeList.prev : oldNodeList;
// nextList表示操作次数加1后对应的那个桶或者操作次数加1后的那个桶的下一个桶
NodeList nextList = oldNodeList.next;
if (nextList == null){
NodeList newList = new NodeList(node);
if (preList != null){
preList.next = newList;
}
newList.prev = preList;
if (headList == null){
headList = newList;
}
heads.put(node,newList);
}else {
if (nextList.head.times == node.times){
nextList.addNodeToHead(node);
heads.put(node,nextList);
}else {
NodeList newList = new NodeList(node);
if (preList != null){
preList.next = newList;
}
newList.prev = preList;
newList.next = nextList;
nextList.prev = newList;
if (headList == nextList){
headList = newList;
}
heads.put(node,newList);
}
}
}
public void set(int key,int value){
if (records.containsKey(key)){
Node node = records.get(key);
node.value = value;
node.times ++;
NodeList curNodeList = heads.get(node);
move(node,curNodeList);
}else {
if (size == capacity){
Node node = headList.tail;
headList.deleteNode(node);
modifyHeadList(headList);
records.remove(node.key);
heads.remove(node);
size --;
}
Node node = new Node(key, value, 1);
if (headList == null){
headList = new NodeList(node);
}else {
if (headList.head.times == node.times){
headList.addNodeToHead(node);
}else {
NodeList newList = new NodeList(node);
newList.next = headList;
headList.prev = newList;
headList = newList;
}
}
records.put(key,node);
heads.put(node,headList);
size ++;
}
}
public int get(int key){
if (!records.containsKey(key)){
return -1;
}
Node node = records.get(key);
node.times ++;
NodeList curNodeList = heads.get(node);
move(node,curNodeList);
return node.value;
}
/**
* 节点的数据结构
*/
class Node{
public int key;
public int value;
public int times; // 该节点发生set和get的次数总和
public Node next;
public Node prev;
public Node(int key,int value,int times){
this.key = key;
this.value = value;
this.times = times;
}
}
/**
* 桶的数据结构
*/
class NodeList{
public Node head; // 指向桶的头节点的指针
public Node tail; // 指向桶的尾节点的指针
public NodeList next;
public NodeList prev;
// 初始化
public NodeList(Node node){
head = node;
tail = node;
}
/**
* 将一个新的节点加入桶中，新的节点作为桶中新的头节点
* @param newNode
*/
public void addNodeToHead(Node newNode){
newNode.next = head;
head.prev = newNode;
head = newNode;
}
/**
* 删除Node节点并保证node的上下文环境重新连接
* @param node
*/
public void deleteNode(Node node){
if (head == tail){
head = null;
tail = null;
}else {
if (head == node){
head = node.next;
head.prev = null;
}else if (node == tail){
tail = node.prev;
tail.next = null;
}else {
node.next.prev = node.prev;
node.prev.next = node.next;
}
}
node.next = null;
node.prev = null;
}
public boolean isEmpty(){
return head == null;
}
}
}
