C++ 实现高性能 LFU 缓存淘汰算法 _ 频率链表优化实现【源码】

千辰姑娘_3053

千辰姑娘_3053

2026-05-10

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LFU缓存通过双向链表与哈希表实现O(1)操作:按频次分组节点,用freqMap和keyMap管理,minFreq跟踪最低频次;get时提升频次并前移节点;put时淘汰minFreq尾部节点或更新值;可用std::list+迭代器简化实现,并引入MAX_FREQ桶压缩与懒更新优化。

c++ 实现高性能 lfu 缓存淘汰算法 _ 频率链表优化实现【源码】

一、使用双向链表与哈希表维护频率分组

LFU 缓存需按访问频次对键值对分组,相同频次的节点构成一个双向链表,所有频次链表按升序链接。哈希表映射 key 到对应节点指针,同时维护最小频次变量以快速定位待淘汰节点。该结构支持 O(1) 时间完成 get 和 put 操作。

1、定义 Node 结构体,包含 key、value、freq 字段,并携带指向同频次链表前后节点的指针。

2、定义 FrequencyList 结构体,封装 head/tail 哨兵节点及 size 计数器,支持在头部插入、尾部删除、任意位置移除节点。

3、声明 unordered_map freqMap,以频次为键,存储对应频次链表;声明 unordered_map keyMap,以 key 为键,存储对应节点指针。

4、初始化 minFreq = 0,在 put 操作中首次插入时设为 1,并在每次淘汰后检查 freqMap[minFreq] 是否为空,若为空则递增 minFreq。

二、在 get 操作中更新频次并迁移节点

每次 get 成功需将对应节点频次加 1,并将其从原频次链表中移除,插入到新频次链表头部,确保同频次下最近访问者靠前,为后续 LRU 式淘汰提供依据。

1、若 key 不在 keyMap 中,返回 -1。

2、从 keyMap 获取对应 Node* node。

3、从 freqMap[node->freq] 链表中移除 node。

4、将 node->freq 加 1。

5、将 node 插入 freqMap[node->freq] 链表头部。

6、若 freqMap 原频次链表 size 变为 0 且该频次等于 minFreq,则 minFreq 自增 1。

三、在 put 操作中处理容量超限与频次初始化

put 操作需区分 key 是否已存在:若存在则更新 value 并提升频次;若不存在则检查容量,若已达上限则淘汰 minFreq 链表尾部节点,再插入新节点到 freqMap[1] 头部。

1、若 key 存在于 keyMap 中,更新 node->value,执行与 get 相同的频次迁移逻辑。

2、若 key 不存在,检查当前缓存 size 是否等于 capacity。

3、若 size == capacity,获取 freqMap[minFreq] 尾部节点(即最久未使用且频次最低者),从 keyMap 和 freqMap[minFreq] 中删除该节点。

C++14
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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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4、构造新 Node,设置 key、value、freq = 1。

5、将新节点插入 freqMap[1] 头部。

6、将 key 与新节点指针写入 keyMap。

7、若原 minFreq 不存在于 freqMap 中(因刚清空),则设置 minFreq = 1。

四、使用 std::list 与迭代器替代手写链表节点

借助 STL 的 std::list 存储各频次下的节点序列,并用 unordered_map::iterator> keyIterMap 直接保存每个 key 对应的迭代器,避免手动管理指针和内存泄漏风险,同时保持 O(1) 删除与移动性能。

1、声明 list freqLists[MAX_FREQ+1],或使用 map> freqMap 替代固定数组。

2、声明 unordered_map::iterator, int>> keyIterMap,其中 second 字段记录当前频次。

3、get 时通过 keyIterMap 查得迭代器与频次,先从 freqMap[oldFreq] erase 迭代器,再将 *iter 插入 freqMap[newFreq].push_front(),更新 keyIterMap 中的迭代器与频次。

4、put 新 key 时,若需淘汰,取 freqMap[minFreq].back(),从中提取 key,从 keyIterMap 删除该 key,并 pop_back()。

五、引入频次桶压缩与懒更新机制

当访问频次持续增长导致 freqMap 键数量膨胀时,可设定最大频次阈值 MAX_FREQ,所有超过该值的节点统一归入 MAX_FREQ 桶中;同时延迟更新 minFreq,仅在淘汰路径中校验,避免每次 put/get 都扫描 freqMap。

1、定义常量 const int MAX_FREQ = 200000。

2、在 incFreq() 中,若 node->freq freq++;否则保持为 MAX_FREQ。

3、在淘汰逻辑中,仅当 freqMap[minFreq].empty() 时执行 while (minFreq

4、若 minFreq 超过 MAX_FREQ,则遍历 freqMap 重新计算最小非空频次,但该操作仅在极端情况下触发,不影响均摊 O(1) 复杂度。

5、所有链表操作必须配套更新 keyMap 或 keyIterMap,否则将导致悬垂指针或重复插入错误。

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