C语言 | Leetcode C语言题解之第460题LFU缓存

题目：

题解：

/*
数值链表的节点定义。
*/
typedef struct ValueListNode_s
{int key;int value;int counter;struct ValueListNode_s *prev;struct ValueListNode_s *next;
}
ValueListNode;/*
计数链表的节点定义。
其中，head是数值链表的头节点，对应的是最新的数值节点。
环形链表，head->prev实际就是tail，对应的就是最久未使用的节点。
*/
typedef struct CounterListNode_s
{ValueListNode *head;struct CounterListNode_s *prev;struct CounterListNode_s *next;
}
CounterListNode;/*
对象结构定义。
capacity:           总的容量。
currentCounter:     当前已有的key的数量。
keyHash:            key的哈希数组，为空表示这个key对应数值不存在。
counterHash:        counter的哈希数组，为空表示这个counter对应的链表不存在。
head:               计数链表的头节点。
*/
typedef struct
{int capacity;int currentCounter;ValueListNode **keyHash;CounterListNode **counterHash;CounterListNode *head;
}
LFUCache;/*
几个自定义函数的声明，具体实现见下。
*/
extern void removeValueNode(CounterListNode *counterNode, ValueListNode *valueNode);
extern void insertValueNode(CounterListNode *counterNode, ValueListNode *valueNode);
extern void removeCounterNode(LFUCache *obj, CounterListNode *counterNode);
extern void insertCounterNode(LFUCache *obj, CounterListNode *counterPrev, CounterListNode *counterNode);/*
创建对象。
*/
LFUCache *lFUCacheCreate(int capacity)
{LFUCache *obj = (LFUCache *)malloc(sizeof(LFUCache));/* 总容量就等于入参capacity，当前已有的key的数量初始化为0。 */obj->capacity = capacity;obj->currentCounter = 0;/* key的取值范围是[0, 10^5]，共100001个。用calloc代替malloc，即包含了初始化为空的步骤。 */obj->keyHash = (ValueListNode **)calloc(100001, sizeof(ValueListNode *));/* 题目给的操作次数上限是2*10^5。同上，用calloc代替malloc，包含了初始化为空的步骤。 */obj->counterHash = (CounterListNode **)calloc(200001, sizeof(CounterListNode *));/* 刚开始时，计数链表为空。 */obj->head = NULL;return obj;
}/*
获取指定key的数值。
value:          想要获取key对应的数值，初始化为-1，假如获取不到，就返回这个-1。
valueNode:      从keyHash中直接获取的数值链表节点。
counterNode:    在计数加一之前，这个数值节点当前所处的计数链表。
counterNew:     在计数加一之后，这个数值节点想要加入的新计数链表。
*/
int lFUCacheGet(LFUCache *obj, int key)
{int value = -1;ValueListNode *valueNode = obj->keyHash[key];CounterListNode *counterNode = NULL, *counterNew = NULL;/* 对应的key存在数值时，才需要返回其数值，否则返回-1。 */if(NULL != valueNode){/* 要返回的数值。 */value = valueNode->value;/* 这个节点当前在哪一个计数链表节点中。 */counterNode = obj->counterHash[valueNode->counter];/* 数值的计数加一。以及计数加一之后，它想要加入的新的计数链表节点。 */valueNode->counter++;counterNew = obj->counterHash[valueNode->counter];/* 把数值节点从旧的链表中移除。 */removeValueNode(counterNode, valueNode);/* 如果这个新的计数节点还不存在，则新建一个节点。 */if(NULL == counterNew){counterNew = (CounterListNode *)calloc(1, sizeof(CounterListNode));obj->counterHash[valueNode->counter] = counterNew;/* 新建计数节点，加到counterNode的后方。 */insertCounterNode(obj, counterNode, counterNew);}/* 如果旧的计数节点中的数值链表变为空，则旧的计数节点也需要从计数链表中移除。 */if(NULL == counterNode->head){removeCounterNode(obj, counterNode);free(counterNode);obj->counterHash[valueNode->counter - 1] = NULL;}/* 把数值节点加入到新的链表中。 */insertValueNode(counterNew, valueNode);}return value;
}/*
赋值指定key的数值。
keyRemove:          要被移除的键值。
valueNode:          指定的key对应的数值节点。
valueRemove:        可能被移除的数值节点。
counterNode:        在计数加一之前，这个数值节点当前所处的计数链表。
counterNew:         在计数加一之后，这个数值节点想要加入的新计数链表。
*/
void lFUCachePut(LFUCache *obj, int key, int value)
{int keyRemove = 0;ValueListNode *valueNode = obj->keyHash[key], *valueRemove = NULL;CounterListNode *counterNode = NULL, *counterNew = NULL;/* 总容量为0的话，什么都不需要做。 */if(0 == obj->capacity){return;}/* 如果这个key值已经存在，则修改其数值。 */if(NULL != valueNode){/* 修改新的数值。 */valueNode->value = value;/* 这个节点当前在哪一个计数链表节点中。 */counterNode = obj->counterHash[valueNode->counter];/* 数值的计数加一。以及计数加一之后，它想要加入的新的计数链表节点。 */valueNode->counter++;counterNew = obj->counterHash[valueNode->counter];/* 把数值节点从旧的链表中移除。 */removeValueNode(counterNode, valueNode);/* 如果这个新的计数节点还不存在，则新建一个节点。 */if(NULL == counterNew){counterNew = (CounterListNode *)calloc(1, sizeof(CounterListNode));obj->counterHash[valueNode->counter] = counterNew;/* 新建计数节点，加到counterNode的后方。 */insertCounterNode(obj, counterNode, counterNew);}/* 如果旧的计数节点中的数值链表变为空，则旧的计数节点也需要从计数链表中移除。 */if(NULL == counterNode->head){removeCounterNode(obj, counterNode);free(counterNode);obj->counterHash[valueNode->counter - 1] = NULL;}/* 把数值节点加入到新的链表中。 */insertValueNode(counterNew, valueNode);}/* 否则，新建一个键值。 */else{/* 如果没有满总量，则数量加一。 */if(obj->capacity > obj->currentCounter){obj->currentCounter++;}/* 否则，先把最近最久未使用的键移除。 */else{/* 要删除的数值节点所在的计数节点，一定是计数最少的那个counterNode，即头节点。 */counterNode = obj->head;/* 要被移除的节点，是数值链表的尾节点。 */valueRemove = counterNode->head->prev;keyRemove = valueRemove->key;/* 把它从链表中移除。 */removeValueNode(counterNode, valueRemove);/* 如果计数节点中的数值链表变成空，则也移除这个计数节点。 */if(NULL == counterNode->head){removeCounterNode(obj, counterNode);free(counterNode);obj->counterHash[valueRemove->counter] = NULL;}free(valueRemove);obj->keyHash[keyRemove] = NULL;}/* 新建一个数值节点。 */valueNode = (ValueListNode *)calloc(1, sizeof(ValueListNode));valueNode->key = key;valueNode->value = value;valueNode->counter = 1;obj->keyHash[key] = valueNode;/* 要新加入的链表。新出现的数值，计数肯定是1。 */counterNew = obj->counterHash[1];/* 如果这个计数节点还不存在，则新建一个。 */if(NULL == counterNew){counterNew = (CounterListNode *)calloc(1, sizeof(CounterListNode));obj->counterHash[1] = counterNew;/* counter为1的计数节点，肯定是加到头部的。 */insertCounterNode(obj, NULL, counterNew);}/* 把数值节点加入到新的链表中。 */insertValueNode(counterNew, valueNode);}return;
}/*
释放对象。
*/
void lFUCacheFree(LFUCache *obj)
{CounterListNode *counterNode = obj->head, *counterNext = NULL;ValueListNode *valueNode = NULL, *valueNext = NULL;/* 逐个释放计数链表的每个节点。 */while(NULL != counterNode){counterNext = counterNode->next;/* 释放每个计数链表节点下面的数值链表。环形链表的循环，使用do、while语句。 */valueNode = counterNode->head;do{valueNext = valueNode->next;free(valueNode);valueNode = valueNext;}while(counterNode->head != valueNode);free(counterNode);counterNode = counterNext;}/* 释放key的哈希数组。 */free(obj->keyHash);/* 释放counter的哈希数组。 */free(obj->counterHash);/* 释放对象。 */free(obj);return;
}/*
几个自定义函数的具体实现。
主要是双向链表、双向循环链表的节点添加、删除的操作，保证操作前后仍然是双向链表、双向循环链表。
*//*
把数值节点从数值链表中删除。
*/
void removeValueNode(CounterListNode *counterNode, ValueListNode *valueNode)
{/* 如果这个被删除节点是链表中的唯一一个，则删除之后直接为空链表。 */if(valueNode->next == valueNode){counterNode->head = NULL;}/* 否则把它的前后两个节点连接起来。 */else{valueNode->prev->next = valueNode->next;valueNode->next->prev = valueNode->prev;/* 如果删掉的就是头节点，则新的头节点的位置往后挪一位。 */if(counterNode->head == valueNode){counterNode->head = valueNode->next;}}return;
}/*
把数值节点加入到数值链表头部。
*/
void insertValueNode(CounterListNode *counterNode, ValueListNode *valueNode)
{ValueListNode *tail = NULL;/* 如果本身是空链表，则它是其中唯一节点。 */if(NULL == counterNode->head){valueNode->prev = valueNode;valueNode->next = valueNode;}/* 否则就把它插入到原来的头尾之间。 */else{tail = counterNode->head->prev;valueNode->prev = tail;valueNode->next = counterNode->head;counterNode->head->prev = valueNode;tail->next = valueNode;}/* 它成为新的头节点。 */counterNode->head = valueNode;return;
}/*
把计数节点从计数链表中删除。
*/
void removeCounterNode(LFUCache *obj, CounterListNode *counterNode)
{/* 如果删除的本身是头节点，则头节点将变为下一个。 */if(obj->head == counterNode){obj->head = counterNode->next;if(NULL != obj->head){obj->head->prev = NULL;}}/* 否则，把它的前后两个节点连起来。不是头节点的话，prev肯定存在，next可能为空。 */else{counterNode->prev->next = counterNode->next;if(NULL != counterNode->next){counterNode->next->prev = counterNode->prev;}}return;
}/*
把一个新的计数节点加入到计数链表指定节点counterPrev的后方。
如果counterPrev为空，则表示加到链表头。
*/
void insertCounterNode(LFUCache *obj, CounterListNode *counterPrev, CounterListNode *counterNode)
{/* 如果counterPrev为空，说明是加入到头节点的位置。 */if(NULL == counterPrev){counterNode->prev = NULL;counterNode->next = obj->head;if(NULL != obj->head){obj->head->prev = counterNode;}obj->head = counterNode;}/* 否则插入到counterPrev和counterPrev->next之间。 */else{counterNode->prev = counterPrev;counterNode->next = counterPrev->next;if(NULL != counterPrev->next){counterPrev->next->prev = counterNode;}counterPrev->next = counterNode;}return;
}