C++ 实现 LFU 缓存算法
LFU（Least Frequently Used）缓存算法是一种缓存淘汰机制。它根据数据项的访问频率，淘汰最不频繁使用的数据，以保证缓存空间的有效利用。本文将介绍使用C++语言实现LFU缓存算法的方法。
算法实现：
首先需要定义存储数据项的数据结构。由于需要记录每一个数据项的键值、值以及访问次数，因此可以定义一个结构体：
typedef struct lfu_item
int key; //键值
int value; //值
int frequency; //访问频率
LFUItem;
缓存的大小需要一定限制，否则可能会导致内存耗尽。因此，需要定义一个存储数据项的容器，包括一个哈希表和一个双向链表。哈希表用于查找数据项是否存在，而双向链表则按照访问频率从低到高排列，用于淘汰最不常用的数据。
typedef struct lfu_cache >
list
接着，需要实现缓存的初始化，包括缓存大小和数据容器的初始化：
void init_cache(LFUCache& cache, int capacity) {
cache.capacity = capacity;
cache.size = 0;
cache.items.clear();
cache.frequencies.clear();
cache.list_head.clear();
}
缓存中添加数据项时，需要先判断数据项是否存在于哈希表中。如果存在，则从双向链表的原有位置删除并重新插入到新的位置；如果不存在，则需要先判断缓存容量是否已经满，如果已满则删除链表中最不常使用的数据项，再添加新的数据项。
void add_item(LFUCache& cache, int key, int value) {
//检查数据项是否存在
auto it = cache.items.find(key);
if(it != cache.items.end()) {
//如果存在，则将它从链表中删除，并重新插入到新的位置
LFUItem item = *(it->second);
item.value = value;
item.frequency++;
cache.list_head.erase(it->second);
cache.frequencies[item.frequency].push_front(item);
cache.items[key] = cache.frequencies[item.frequency].begin();
}
else {
//如果不存在，则需要先判断是否已满
if(cache.size == cache.capacity) {
//如果已满，则删除链表中频率最低的数据项
auto frequency_list = cache.list_head.begin();
int target_key = frequency_list->key;
cache.frequencies[frequency_list->frequency].erase(cache.items[target_key]);
cache.items.erase(target_key);
cache.list_head.erase(frequency_list);
cache.size--;
}
//再添加新的数据项
LFUItem item = { key, value, 1 };
cache.frequencies[1].push_front(item);
cache.items[key] = cache.frequencies[1].begin();
cache.list_head.push_front(item);
cache.size++;
}
}
数据项从缓存中删除时，只需要从哈希表和链表中删除即可：
void remove_item(LFUCache& cache, int key) {
auto it = cache.items.find(key);
if(it != cache.items.end()) {
LFUItem item = *(it->second);
cache.frequencies[item.frequency].erase(it->second);
cache.items.erase(key);
cache.list_head.erase(it->second);
cache.size--;
}
}
缓存中查找数据项时，需要将访问次数加1，同时将数据项从链表的原有位置删除，并插入到新的位置：
int get_item(LFUCache& cache, int key) {
auto it = cache.items.find(key);
if(it == cache.items.end()) {
return -1;
}
LFUItem item = *(it->second);
item.frequency++;
cache.list_head.erase(it->second);
cache.frequencies[item.frequency].push_front(item);
cache.items[key] = cache.frequencies[item.frequency].begin();
return item.value;
}
这样，C++语言实现的LFU缓存算法就完成了。下面是一个完整的示例代码：
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