c++中如何实现LRU缓存算法_c++ list与unordered_map结合实现【汇总】

胖浩酱_6654

胖浩酱_6654

2026-01-21

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原创

用 std::list + std::unordered_map 实现 LRU 是因二者互补:unordered_map 提供 O(1) 查找,list 支持 O(1) 头插与删除;list 存 key-value 对并按访问序排列,map 存 key 到 list 迭代器的映射,配合 splice 实现高效更新。

c++中如何实现lru缓存算法_c++ list与unordered_map结合实现【汇总】

为什么用 std::list + std::unordered_map 实现 LRU

因为 LRU 的核心操作是「快速查找 + 快速移动到头部」,单靠一种容器无法兼顾:
— std::unordered_map 提供 O(1) 的 key 查找,但不维护顺序;
— std::list 支持 O(1) 的节点删除和头插,但查找是 O(n)。
两者结合,就能在平均 O(1) 时间内完成 get / put 操作。

std::list 存什么、std::unordered_map 存什么

关键不是存「值」,而是存「双向引用关系」:
— std::list 存 std::pair(key-value),按访问时间从头(最新)到尾(最旧)排列;
— std::unordered_map 存 int → std::list<:pair int>>::iterator,即每个 key 映射到 list 中对应节点的迭代器。

这样,get 时通过 map 找到 iterator,再用 splice() 把该节点移到 list 头部;put 时若已存在,同样 splice 更新位置;若不存在且超容,则先擦除 list 尾部节点,并用其 key 去 map 中 erase。

C++14
C++14

C++14 对 C++11 的修正与增强版本,适合旧系统维护和较老工具链兼容。

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容易踩的坑:迭代器失效与 const 正确性

  • 不要在 std::list 上用 erase(iterator) 后还保留该 iterator —— 它已失效;正确做法是用 splice() 移动,或先保存 key 再 erase
  • std::unordered_map::erase(key) 比 erase(iterator) 更安全,避免迭代器悬空
  • 所有涉及 list 节点访问的操作(如 front()、back())前,必须检查 list.empty(),否则 UB
  • 类成员函数如 get() 应声明为 const,但内部要修改 list 顺序 —— 这时需把 list 和 map 声明为 mutable

一个可直接跑的最小实现(C++17)

#include <unordered_map>
#include <list>

class LRUCache {
    int capacity_;
    mutable std::list<:pair int>> cache_;
    mutable std::unordered_map<int std::list int>>::iterator> map_;

public:
    LRUCache(int capacity) : capacity_(capacity) {}

    int get(int key) const {
        auto it = map_.find(key);
        if (it == map_.end()) return -1;
        // 移到头部
        cache_.splice(cache_.begin(), cache_, it->second);
        return it->second->second;
    }

    void put(int key, int value) {
        auto it = map_.find(key);
        if (it != map_.end()) {
            it->second->second = value;
            cache_.splice(cache_.begin(), cache_, it->second);
            return;
        }
        if (cache_.size() == static_cast<size_t>(capacity_)) {
            auto& last = cache_.back();
            map_.erase(last.first);
            cache_.pop_back();
        }
        cache_.emplace_front(key, value);
        map_[key] = cache_.begin();
    }
};
</size_t></int></:pair></list></unordered_map>

注意 mutable 是关键:它允许在 const 成员函数中修改 cache_ 和 map_,否则 splice() 会编译失败。另外,emplace_front 比 push_front 更高效,避免临时 pair 构造。

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