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c++如何实现LRU缓存算法_c++双向链表与哈希表结合【核心】

尼克

尼克

发布时间:2026-02-09 16:13:18

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来源于php中文网

原创

必须用双向链表+哈希表:链表O(1)移动删除,哈希表O(1)定位;单用list无法O(1)查key,单用unordered_map无法维护时序。

c++如何实现lru缓存算法_c++双向链表与哈希表结合【核心】

为什么必须用双向链表 + 哈希表

单靠 std::list 无法 O(1) 查找某个 key 对应的节点位置;单靠 std::unordered_map 无法维护访问时序。双向链表支持 O(1) 删除和移动节点,哈希表提供 O(1) 定位——两者缺一不可。

常见错误是只用 map 存值、用 vector 或 list 手动遍历找 key,导致 get() 变成 O(n),完全失去 LRU 意义。

  • 链表节点必须存 key,否则删除尾节点时无法反查 map 中对应 entry
  • map 的 value 必须是链表迭代器(std::list::iterator),不是指针或索引
  • 插入/访问后要把对应节点移到链表头(最新使用),不能只改 map

如何正确设计 Node 和 LRUCache 类结构

Node 不需要额外封装类,直接用 struct 即可;重点是成员顺序和 const 正确性:

struct Node {
    int key;
    int value;
    Node(int k, int v) : key(k), value(v) {}
};

LRUCache 内部需持有:

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  • std::unordered_map::iterator> cache:key → 链表中该节点的迭代器
  • std::list order:按访问时间从新到旧排列(头最新,尾最久未用)
  • int capacity:缓存上限,初始化后不变

注意:std::list::iterator 在 insert/erase 后仍有效(只要不删它自己),这是能安全用作 map value 的前提。

get() 和 put() 的关键操作步骤

get(key) 不只是查 map,还要触发“提升热度”:

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  • 若 key 不存在,返回 -1
  • 若存在,用 map 查出对应 iter,用 order.erase(iter) 删除原位置,再 order.push_front(*iter) 插入头部
  • 更新 map 中该 key 的 value 为新的头迭代器(order.begin()

put(key, value) 要处理三种情况:

  • key 已存在:更新 value,再执行和 get() 相同的“移到头部”逻辑
  • key 不存在且 size push_front 新节点,map 插入 key→begin()
  • key 不存在且已满:先删 order.back().key 对应的 map entry,再 pop_back(),再插入新节点

漏掉 map 和 list 的同步更新,就会出现“map 还指着已删节点”——迭代器失效,行为未定义。

容易被忽略的边界与性能点

构造函数里别忘了初始化 capacity,且所有成员变量应在初始化列表中完成构造,避免默认构造后再赋值。

实际编码中常见坑:

  • auto it = cache.find(key) 后,误写 it->second->value(错:it->second 是 iterator,不是指针)
  • put() 中删尾节点前,没先从 map erase,导致 map 持有悬空迭代器
  • order.push_front({key, value}) 写成 order.emplace_front(key, value) —— 没问题,但要注意参数匹配构造函数
  • 没考虑 capacity == 0 的情况,此时所有 put 都应忽略,get 全返回 -1

真正难的不是写出来,而是让每次 get/put 都严格维持 map 和 list 的一致性——少一次 erase 或少一次 update,缓存就悄悄坏了。

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