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C++如何实现LRU缓存机制_C++结合哈希表与双向链表实战【面试】

冰火之心

冰火之心

发布时间:2026-02-06 16:07:33

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来源于php中文网

原创

不能只用 std::unordered_map 实现 LRU,因其不维护访问顺序,无法 O(1) 定位最久未使用项;需哈希表(存 key→list iterator)+ 双向链表(如 std::list)协同实现 O(1) 访问、移动与淘汰。

c++如何实现lru缓存机制_c++结合哈希表与双向链表实战【面试】

为什么不能只用 std::unordered_map 实现 LRU?

因为哈希表本身不维护访问顺序,std::unordered_map 查找是 O(1),但没法在 O(1) 时间内定位“最久未使用”的节点。LRU 的核心诉求是:每次 getput 都要将对应项移到“最近使用”端,同时淘汰时能立刻拿到“最久未使用”端的节点——这必须靠双向链表的头尾快速操作能力。

常见错误是试图用 std::map(按 key 排序)或给哈希表加时间戳字段再遍历找最小值,这两种都退化成 O(n) 淘汰,直接挂面试。

  • 哈希表负责 O(1) 定位节点(存的是 key → list iterator
  • 双向链表负责 O(1) 移动和裁剪(用 std::list 或手写链表均可,推荐 std::list 避免内存管理风险)
  • 所有 getput 中涉及的链表操作,必须同步更新哈希表里的迭代器,否则后续 erase 会崩溃

std::list 迭代器失效问题怎么避坑?

std::list 的迭代器只有在对应节点被 erase 时才失效,插入、移动(如 splice)、遍历都不影响其他迭代器有效性——这是它比 std::vectorstd::deque 更适合 LRU 的关键。

但要注意:如果你用 list.push_front() + list.erase(it) 再重新 push_front() 来“更新位置”,会产生两次构造/析构,且容易因忘记更新哈希表中保存的旧迭代器而悬垂。

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  • 正确做法:用 list.splice(list.begin(), list, it),把已有节点直接挪到开头,不触发元素拷贝,迭代器 it 依然有效
  • 哈希表里存的 std::list>::iterator 必须在每次 splice 后保持可用,无需重赋值
  • 如果手写链表,务必确保 next/prev 指针在移动时被正确重连,漏掉一个就导致内存泄漏或访问非法地址

put 操作中容量超限的处理顺序为什么不能颠倒?

典型错误写法:先插入新节点到链表和哈希表,再判断是否超限,超了就删尾部——这会导致刚插入的新节点可能立刻被删掉,逻辑错乱。

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正确顺序必须是:先检查当前 size 是否已达 capacity,若是,先从链表尾部 pop_back() 并从哈希表中 erase 对应 key;之后再插入新节点。

  • 注意 list.back().first 是待删节点的 key,必须先取出来再 pop_back(),否则节点没了就拿不到 key 去清理哈希表
  • 如果 capacity == 0,需特殊处理:所有 put 都应直接丢弃,且不触发任何链表/哈希操作(否则可能 crash)
  • 面试官常追问:如果 put 的 key 已存在,是否算一次“使用”?答案是肯定的——要先 get 值,再 erase 旧节点,再 push_front 新节点(或用 splice),最后更新 value

std::liststd::pair 还是自定义结构体?

std::pair 看似简洁,但可读性差、扩展性弱。比如后续想加访问时间戳、引用计数或锁字段,就得重构。面试中写出带名字段的结构体,会显得更工程化。

但注意:结构体必须支持默认构造、拷贝/移动,且不要在内部做复杂初始化(比如 new 内存),否则 list.splice 可能意外触发析构。

  • 推荐定义:struct CacheNode { int key; int value; CacheNode(int k, int v) : key(k), value(v) {} };
  • 哈希表类型应为:std::unordered_map::iterator>
  • 避免用 std::list<:unique_ptr>>:智能指针增加间接层,splice 虽仍有效,但没必要,且易引发所有权混淆

真正容易被忽略的是异常安全:如果 new 节点失败(虽罕见),或哈希表 insert 抛异常,已做的链表操作必须回滚。实际面试实现可暂不处理,但得知道 std::list::splice 是无抛异常保证(noexcept),而 unordered_map::insert 在 C++17 后也是 noexcept 当 hasher 和 key_equal 不抛时——这点很少有人提,但一问就露馅。

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