题解：https://leetcode.cn/problems/lru-cache/solution/lru-ce-lue-xiang-jie-he-shi-xian-by-labuladong/

146. LRU 缓存

输入
["LRUCache", "put", "put", "get", "put", "get", "put", "get", "get", "get"]
[[2], [1, 1], [2, 2], [1], [3, 3], [2], [4, 4], [1], [3], [4]]
输出
[null, null, null, 1, null, -1, null, -1, 3, 4]

解释
LRUCache lRUCache = new LRUCache(2);
lRUCache.put(1, 1); // 缓存是 {1=1}
lRUCache.put(2, 2); // 缓存是 {1=1, 2=2}
lRUCache.get(1);    // 返回 1
lRUCache.put(3, 3); // 该操作会使得关键字 2 作废，缓存是 {1=1, 3=3}
lRUCache.get(2);    // 返回 -1 (未找到)
lRUCache.put(4, 4); // 该操作会使得关键字 1 作废，缓存是 {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

思路

题解：https://leetcode.cn/problems/lru-cache/solution/lru-ce-lue-xiang-jie-he-shi-xian-by-labuladong/

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：

1、显然 cache 中的元素必须有时序，以区分最近使用的和久未使用的数据，当容量满了之后要删除最久未使用的那个元素腾位置。

2、我们要在 cache 中快速找某个 key 是否已存在并得到对应的 val；

3、每次访问 cache 中的某个 key，需要将这个元素变为最近使用的，也就是说 cache 要支持在任意位置快速插入和删除元素。

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 LinkedHashMap。

借助这个结构，我们来逐一分析上面的 3 个条件：

1、如果我们每次默认从链表尾部添加元素，那么显然越靠尾部的元素就是最近使用的，越靠头部的元素就是最久未使用的。

2、对于某一个 key，我们可以通过哈希表快速定位到链表中的节点，从而取得对应 val。

3、链表显然是支持在任意位置快速插入和删除的，改改指针就行。只不过传统的链表无法按照索引快速访问某一个位置的元素，而这里借助哈希表，可以通过 key 快速映射到任意一个链表节点，然后进行插入和删除。

也许读者会问，为什么要是双向链表，单链表行不行？另外，既然哈希表中已经存了 key，为什么链表中还要存 key 和 val 呢，只存 val 不就行了？

想的时候都是问题，只有做的时候才有答案。这样设计的原因，必须等我们亲自实现 LRU 算法之后才能理解，所以我们开始看代码吧～

从0开始实现

注意我们实现的双链表 API 只能从尾部插入，也就是说靠尾部的数据是最近使用的，靠头部的数据是最久为使用的。

class LRUCache {

    // key -> Node(key, val)
    private HashMap<Integer, Node> map;
    // Node(k1, v1) <-> Node(k2, v2)...
    private DoubleList cache;
    // 最大容量
    private int cap;

    public LRUCache(int capacity) {
        this.cap = capacity;
        map = new HashMap<>();
        cache = new DoubleList();
    }
    
    public int get(int key) {
        if (!map.containsKey(key)) {
        return -1;
        }
        // 将该数据提升为最近使用的
        makeRecently(key);
        return map.get(key).val;
    }
    
    public void put(int key, int val) {
        if (map.containsKey(key)) {
            // 删除旧的数据
            deleteKey(key);
            // 新插入的数据为最近使用的数据
            addRecently(key, val);
            return;
        }
    
        if (cap == cache.size()) {
            // 删除最久未使用的元素
            removeLeastRecently();
        }
        // 添加为最近使用的元素
        addRecently(key, val);
}

    //  删除某个 key 时，在 cache 中删除了对应的 Node，但是却忘记在 map 中删除 key。
    // 解决这种问题的有效方法是：在这两种数据结构之上提供一层抽象 API。
    //      尽量让 LRU 的主方法 get 和 put 避免直接操作 map 和 cache 的细节
    
    /*  将某个 key 提升为最近使用的 */
    private void makeRecently(int key) {
        Node x = map.get(key);
        // 先从链表中删除这个节点
        cache.remove(x);
        // 重新插到队尾
        cache.addLast(x);
    }

    /* 添加最近使用的元素 */
    private void addRecently(int key, int val) {
        Node x = new Node(key, val);
        // 链表尾部就是最近使用的元素
        cache.addLast(x);
        // 别忘了在 map 中添加 key 的映射
        map.put(key, x);
    }

    /* 删除某一个 key */
    private void deleteKey(int key) {
        Node x = map.get(key);
        // 从链表中删除
        cache.remove(x);
        // 从 map 中删除
        map.remove(key);
    }

    /* 删除最久未使用的元素 */
    private void removeLeastRecently() {
        // 链表头部的第一个元素就是最久未使用的
        Node deletedNode = cache.removeFirst();
        // 同时别忘了从 map 中删除它的 key
        int deletedKey = deletedNode.key;
        map.remove(deletedKey);
    }
}

class Node {
    public int key, val;
    public Node next, prev;
    public Node(int k, int v) {
        this.key = k;
        this.val = v;
    }
}

class DoubleList {  
    // 头尾虚节点
    private Node head, tail;  
    // 链表元素数
    private int size;
    
    public DoubleList() {
        // 初始化双向链表的数据
        head = new Node(0, 0);
        tail = new Node(0, 0);
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
        size = 0;
    }

    // 在链表尾部添加节点 x，时间 O(1)
    public void addLast(Node x) {
        x.prev = tail.prev;
        x.next = tail;
        tail.prev.next = x;
        tail.prev = x;
        size++;
    }

    // 删除链表中的 x 节点（x 一定存在）
    // 由于是双链表且给的是目标 Node 节点，时间 O(1)
    public void remove(Node x) {
        x.prev.next = x.next;
        x.next.prev = x.prev;
        size--;
    }
    
    // 删除链表中第一个节点，并返回该节点，时间 O(1)
    public Node removeFirst() {
        if (head.next == tail)
            return null;
        Node first = head.next;
        remove(first);
        return first;
    }

    // 返回链表长度，时间 O(1)
    public int size() { return size; }

}

使用LinkedHashMap实现

class LRUCache {

    int cap;
    LinkedHashMap<Integer,Integer> cache = new LinkedHashMap<>();

    public LRUCache(int capacity) {
        this.cap = capacity;
    }
    
    public int get(int key) {
        if(!cache.containsKey(key)){
            return -1;
        }
        // 将key变为最近使用的
        makeRecently(key);
        return cache.get(key);
    }
    
    public void put(int key, int value) {
        if(cache.containsKey(key)){
            // 修改 key 的值
            cache.put(key, value);
            // 将 key 变为最近使用
            makeRecently(key);
            return;
        }
        if(cache.size() >= this.cap){
            // 链表头部就是最久未使用的 key
            int oldestKey = cache.keySet().iterator().next();
            cache.remove(oldestKey);
        }
        // 将新的 key 添加链表尾部
        cache.put(key, value);
    }

    public void makeRecently(int key){
        int val = cache.get(key);
        cache.remove(key);
        cache.put(key, val);
    }
}

拓展：460. LFU 缓存