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JavaScript双向链表实现LFU缓存算法

2022-01-14 09:45:18 作者：SADON_jung

本文主要介绍了JavaScript双向链表实现LFU缓存算法，文中通过示例代码介绍的非常详细，具有一定的参考价值，感兴趣的小伙伴们可以参考一下

什么是LFU

LFU（Least Frequently Used），最近最少使用策略，也就是说在一段时间内，数据被使用频次最少的，优先被淘汰。
它是一种用于管理计算机内存的缓存算法，采用LFU算法的最简单方法是为每个加载到缓存的块分配一个计数器。每次引用该块时，计数器将增加一。当缓存达到容量并有一个新的内存块等待插入时，系统将搜索计数器最低的块并将其从缓存中删除。

描述

请你为最不经常使用（LFU）缓存算法设计并实现数据结构。

实现 LFUCache 类：

LFUCache(int capacity) - 用数据结构的容量 capacity 初始化对象

int get(int key) - 如果键 key 存在于缓存中，则获取键的值，否则返回 -1 。

void put(int key, int value) - 如果键 key 已存在，则变更其值；如果键不存在，请插入键值对。

当缓存达到其容量 capacity 时，则应该在插入新项之前，移除最不经常使用的项。

在此问题中，当存在平局（即两个或更多个键具有相同使用频率）时，应该去除最近最久未使用的键。

为了确定最不常使用的键，可以为缓存中的每个键维护一个使用计数器。使用计数最小的键是最久未使用的键。

当一个键首次插入到缓存中时，它的使用计数器被设置为 1 (由于 put 操作)。对缓存中的键执行 get 或 put 操作，使用计数器的值将会递增。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

解题思路

1、构造节点结构体

保存对应的数据信息

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、构造双向链表

构造带有头尾节点的双向链表，head和tail为哨兵节点，不保存信息，仅用于标记头尾。

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、编写链表头添加节点方法

将节点插入到链表的头结点之后，其他节点往后移。

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

4、编写删除节点方法

将节点从链表中删除。

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

5、构造LRU缓存结构体

构造LRU缓存结构体，具体信息如下代码，capacity用于保存最大缓存数，即该类的容量；num保存当前存储的数据量，用于判别是否超出最大容量；minFreq保存当前存储的数据中的最小频率，删除的时候需要优先删除频率最小的；kvMap保存节点详细信息，索引为节点的key值，查询可以直接从这里查出信息；freqMap保存对应频率的链表信息，索引为节点的freq（频率），删除的时候可以快速从这里获取需要删除节点的信息。

/**
 * @param {number} capacity
 */
var LFUCache = function (capacity) {
  this.capacity = capacity;//最大缓存
  this.num = 0;//当前数目
  this.minFreq = 0;//当前最小频率
  this.kvMap = new Map();//保存节点信息
  this.freqMap = new Map();//保存对应频率的链表信息
};

6、编写get方法

get主要有以下两种情况：

（1）节点存在

通过kvMap获取到对应节点
将节点从freqMap中删除
判断是否需要修改minFreq
修改节点的freq
重新将节点插入freqMap
返回节点的value

（2）节点不存在
容量capacity为0或者kvMap中没有该节点信息，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;
  //通过kvMap获取到对应节点
  let node = this.kvMap.get(key);
  let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
  //将节点从freqMap中删除
  linkLine.removeNode(node);
  //判断是否需要修改minFreq
  //清空了
  if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
    this.freqMap.delete(node.freq);
    if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
  }
  //修改节点的freq
  node.freq++;
  //重新将节点插入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));
  }
  //返回节点的value
  return node.val;
};

7、编写put方法

put操作主要有以下两种情况：

（1）更新

通过kvMap获取到对应节点
将节点从freqMap中删除
判断是否需要修改minFreq
更新节点信息
重新将节点插入freqMap

（2）存入

存入情况下又有两种情况：

容量已满

通过minFreq找到需要删除的节点
将节点从freqMap中删除
判断是否需要修改minFreq
将新节点插入freqMap
更新minFreq

容量未满

修改num
将新节点插入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
    //通过kvMap获取到对应节点
    let node = this.kvMap.get(key);
    //将节点从freqMap中删除
    let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
    linkLine.removeNode(node);
    //判断是否需要修改minFreq
    if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
      if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
      this.freqMap.delete(node.freq);
    }
    //更新节点信息
    node.val = value;
    node.freq++;
    //重新将节点插入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) {//存满
      //通过minFreq找到需要删除的节点
      let freq = this.minFreq;
      let linkLine = this.freqMap.get(freq);
      let node = linkLine.tail.pre;
      //将节点从freqMap中删除  
      linkLine.removeNode(node);
      this.kvMap.delete(node.key);
      //判断是否需要修改minFreq
      if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
        this.freqMap.delete(node.freq);
      }
    } else {
      //修改num
      this.num++;
    }
    //将新节点插入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;
  }
};

代码

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) {
      //存满
      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)
 */

到此这篇关于JavaScript双向链表实现LFU缓存算法的文章就介绍到这了,更多相关JavaScript LFU缓存算法内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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