如何通過Golang的container/list實(shí)現(xiàn)LRU緩存算法
在 Go 語言中,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:
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 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)存開銷: 鏈表的每個(gè)元素都需要額外的內(nèi)存來存儲(chǔ)前后指針,因此內(nèi)存開銷比數(shù)組大。
- 隨機(jī)訪問性能差: 鏈表不支持隨機(jī)訪問,訪問某個(gè)元素需要從頭或尾開始遍歷。
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) } }
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