设计数据结构-LFU算法

LFU 算法

参考labuladong的文章

LFU 算法相当于是淘汰访问频次最低的数据，如果访问频次最低的数据有多条，需要淘汰最旧的数据。把数据按照访问频次进行排序，而且频次还会不断变化。

要求你写一个类，接受一个capacity参数，实现get和put方法：

class LFUCache {
    // 构造容量为 capacity 的缓存
    public LFUCache(int capacity) {}
    // 在缓存中查询 key
    public int get(int key) {}
    // 将 key 和 val 存入缓存
    public void put(int key, int val) {}
}

get(key)方法会去缓存中查询键key，如果key存在，则返回key对应的val，否则返回 -1。

put(key, value)方法插入或修改缓存。如果key已存在，则将它对应的值改为val；如果key不存在，则插入键值对(key, val)。

当缓存达到容量capacity时，则应该在插入新的键值对之前，删除使用频次（后文用freq表示）最低的键值对。如果freq最低的键值对有多个，则删除其中最旧的那个。

先从最简单的开始，根据 LFU 算法的逻辑，我们先列举出算法执行过程中的几个需求：

• 调用get(key)方法时，要返回该key对应的val。
• 只要用get或者put方法访问一次某个key，该key的freq就要加一。
• 如果在容量满了的时候进行插入，则需要将freq最小的key删除，如果最小的freq对应多个key，则删除其中最旧的那一个。

能够在 O(1) 的时间内解决这些需求，可以使用基本数据结构来逐个击破：

• 使用一个HashMap存储key到val的映射，就可以快速计算get(key)。

  HashMap<Integer, Integer> keyToVal;
  

• 使用一个HashMap存储key到freq的映射，就可以快速操作key对应的freq。

  HashMap<Integer, Integer> keyToFreq;
  

• 这个需求应该是 LFU 算法的核心，所以我们分开说。

  • 3.1、首先，肯定是需要freq到key的映射，用来找到freq最小的key。

  • 3.2、将freq最小的key删除，那你就得快速得到当前所有key最小的freq是多少。想要时间复杂度 O(1) 的话，肯定不能遍历一遍去找，那就用一个变量minFreq来记录当前最小的freq吧。

  • 3.3、可能有多个key拥有相同的freq，所以 freq对key是一对多的关系，即一个freq对应一个key的列表。

  • 3.4、希望freq对应的key的列表是存在时序的，便于快速查找并删除最旧的key。

  • 3.5、希望能够快速删除key列表中的任何一个key，因为如果频次为freq的某个key被访问，那么它的频次就会变成freq+1，就应该从freq对应的key列表中删除，加到freq+1对应的key的列表中。

    HashMap<Integer, LinkedHashSet<Integer>> freqToKeys;
    int minFreq = 0;
    

LinkedHashSet介绍：

它满足我们 3.3，3.4，3.5 这几个要求，普通的链表LinkedList能够满足 3.3，3.4 这两个要求，但是由于普通链表不能快速访问链表中的某一个节点，所以无法满足 3.5 的要求。

LinkedHashSet顾名思义，是链表和哈希集合的结合体。链表不能快速访问链表节点，但是插入元素具有时序；哈希集合中的元素无序，但是可以对元素进行快速的访问和删除。

它俩结合起来就兼具了哈希集合和链表的特性，既可以在 O(1) 时间内访问或删除其中的元素，又可以保持插入的时序，高效实现 3.5 这个需求。

综上，我们可以写出 LFU 算法的基本数据结构：

class LFUCache {
    // key 到 val 的映射，我们后文称为 KV 表
    HashMap<Integer, Integer> keyToVal;
    // key 到 freq 的映射，我们后文称为 KF 表
    HashMap<Integer, Integer> keyToFreq;
    // freq 到 key 列表的映射，我们后文称为 FK 表
    HashMap<Integer, LinkedHashSet<Integer>> freqToKeys;
    // 记录最小的频次
    int minFreq;
    // 记录 LFU 缓存的最大容量
    int cap;

    public LFUCache(int capacity) {
        keyToVal = new HashMap<>();
        keyToFreq = new HashMap<>();
        freqToKeys = new HashMap<>();
        this.cap = capacity;
        this.minFreq = 0;
    }

    public int get(int key) {}

    public void put(int key, int val) {}

}

我们要维护KV表，KF表，FK表三个映射，特别容易出错,有三个技巧：

• 自顶向下，逐步求精，先写清楚主函数的逻辑框架，然后再一步步实现细节。
• 搞清楚映射关系，如果我们更新了某个key对应的freq，那么就要同步修改KF表和FK表，这样才不会出问题。
• 把逻辑比较复杂的部分用流程图画出来，然后根据图来写代码，可以极大减少出错的概率。

先来实现get(key)方法，逻辑很简单，返回key对应的val，然后增加key对应的freq：

public int get(int key) {
    if (!keyToVal.containsKey(key)) {
        return -1;
    }
    // 增加 key 对应的 freq
    increaseFreq(key);
    return keyToVal.get(key);
}

增加key对应的freq是 LFU 算法的核心，所以我们干脆直接抽象成一个函数increaseFreq，这样get方法看起来就简洁清晰了对吧。

下面来实现put(key, val)方法，逻辑略微复杂，我们直接画个图来:

直接写出put方法的逻辑：

public void put(int key, int val) {
    if (this.cap <= 0) return;

    /* 若 key 已存在，修改对应的 val 即可 */
    if (keyToVal.containsKey(key)) {
        keyToVal.put(key, val);
        // key 对应的 freq 加一
        increaseFreq(key);
        return;
    }

    /* key 不存在，需要插入 */
    /* 容量已满的话需要淘汰一个 freq 最小的 key */
    if (this.cap <= keyToVal.size()) {
        removeMinFreqKey();
    }

    /* 插入 key 和 val，对应的 freq 为 1 */
    // 插入 KV 表
    keyToVal.put(key, val);
    // 插入 KF 表
    keyToFreq.put(key, 1);
    // 插入 FK 表
    freqToKeys.putIfAbsent(1, new LinkedHashSet<>());
    freqToKeys.get(1).add(key);
    // 插入新 key 后最小的 freq 肯定是 1
    this.minFreq = 1;
}

increaseFreq和removeMinFreqKey方法是 LFU 算法的核心

首先来实现removeMinFreqKey函数：

private void removeMinFreqKey() {
    // freq 最小的 key 列表
    LinkedHashSet<Integer> keyList = freqToKeys.get(this.minFreq);
    // 其中最先被插入的那个 key 就是该被淘汰的 key
    int deletedKey = keyList.iterator().next();
    /* 更新 FK 表 */
    keyList.remove(deletedKey);
    if (keyList.isEmpty()) {
        freqToKeys.remove(this.minFreq);
        // 问：这里需要更新 minFreq 的值吗？
    }
    /* 更新 KV 表 */
    keyToVal.remove(deletedKey);
    /* 更新 KF 表 */
    keyToFreq.remove(deletedKey);
}

删除某个键key肯定是要同时修改三个映射表的，借助minFreq参数可以从FK表中找到freq最小的keyList，根据时序，其中第一个元素就是要被淘汰的deletedKey，操作三个映射表删除这个key即可。

这里没必要更新minFreq变量，因为你想想removeMinFreqKey这个函数是在什么时候调用？在put方法中插入新key时可能调用。而你回头看put的代码，插入新key时一定会把minFreq更新成 1，所以说即便这里minFreq变了，我们也不需要管它。

下面来实现increaseFreq函数：

private void increaseFreq(int key) {
    int freq = keyToFreq.get(key);
    /* 更新 KF 表 */
    keyToFreq.put(key, freq + 1);
    /* 更新 FK 表 */
    // 将 key 从 freq 对应的列表中删除
    freqToKeys.get(freq).remove(key);
    // 将 key 加入 freq + 1 对应的列表中
    freqToKeys.putIfAbsent(freq + 1, new LinkedHashSet<>());
    freqToKeys.get(freq + 1).add(key);
    // 如果 freq 对应的列表空了，移除这个 freq
    if (freqToKeys.get(freq).isEmpty()) {
        freqToKeys.remove(freq);
        // 如果这个 freq 恰好是 minFreq，更新 minFreq
        if (freq == this.minFreq) {
            this.minFreq++;
        }
    }
}

当FK表中freq对应的列表被删空后，需要删除FK表中freq这个映射。如果这个freq恰好是minFreq，说明minFreq变量需要更新。

能不能快速找到当前的minFreq呢？这里是可以的，因为我们刚才把key的freq加了 1 嘛，所以minFreq也加 1 就行了。