使用 Swift 实现 LRU 缓存淘汰策略

📌 实现思路

一、核心目标

我们要实现一个缓存类：

• 支持通过 get(key) 获取缓存的值；
• 支持通过 put(key, value) 写入缓存；
• 缓存容量有限，当超过容量时要淘汰最久未使用的元素。

二、为什么用「哈希表 + 双向链表」

功能	使用的结构	原因
快速查找 key	哈希表 (dict)	O(1) 时间复杂度
快速移动元素到头部	双向链表	O(1) 移除 / 插入节点，无需整体移动元素
快速删除最旧元素	链表尾部淘汰	尾节点指针指向最久未使用项，删除也只需 O(1) 操作

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🧾 完整代码 + 注释

// 声明一个通用的 LRU 缓存类，Key 必须是 Hashable 的，Value 任意类型
class LRUCache<Key: Hashable, Value> {

    // 内部节点类：用于双向链表的节点结构
    private class Node {
        let key: Key
        var value: Value
        var prev: Node?
        var next: Node?

        init(key: Key, value: Value) {
            self.key = key
            self.value = value
        }
    }

    private let capacity: Int                        // 最大缓存容量
    private var dict: [Key: Node] = [:]              // 哈希表，用于快速访问节点
    private var head: Node?                          // 链表头（最近使用）
    private var tail: Node?                          // 链表尾（最久未使用）

    // 初始化函数
    init(capacity: Int) {
        self.capacity = capacity
    }

    // 读取缓存
    func get(_ key: Key) -> Value? {
        guard let node = dict[key] else {
            return nil // 如果找不到，返回 nil
        }

        moveToHead(node) // 将访问的节点移到头部，表示“最近被使用”
        return node.value
    }

    // 写入缓存
    func put(_ key: Key, value: Value) {
        if let node = dict[key] {
            // 已存在，更新值并移到头部
            node.value = value
            moveToHead(node)
        } else {
            // 新节点，插入到头部
            let newNode = Node(key: key, value: value)
            dict[key] = newNode
            addToHead(newNode)

            // 如果超过容量，移除尾部最久未使用的节点
            if dict.count > capacity {
                if let removed = removeTail() {
                    dict.removeValue(forKey: removed.key)
                }
            }
        }
    }

    // 添加节点到链表头部
    private func addToHead(_ node: Node) {
        node.next = head
        node.prev = nil
        head?.prev = node
        head = node
        if tail == nil {
            tail = head
        }
    }

    // 从链表中移除某个节点
    private func removeNode(_ node: Node) {
        if let prev = node.prev {
            prev.next = node.next
        } else {
            head = node.next // node 是头部
        }

        if let next = node.next {
            next.prev = node.prev
        } else {
            tail = node.prev // node 是尾部
        }
    }

    // 将某个节点移到头部（表示最近使用）
    private func moveToHead(_ node: Node) {
        removeNode(node)
        addToHead(node)
    }

    // 移除尾部节点（最久未使用的）
    private func removeTail() -> Node? {
        guard let oldTail = tail else { return nil }
        removeNode(oldTail)
        return oldTail
    }
}

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📈 使用示例（调试输出）

let cache = LRUCache<String, Int>(capacity: 2)
cache.put("a", value: 1)
cache.put("b", value: 2)
print(cache.get("a") ?? -1)  // 输出 1 （"a" 成为最近使用）
cache.put("c", value: 3)     // 淘汰 "b"，因为 "b" 是最久未使用的
print(cache.get("b") ?? -1)  // 输出 -1（已被淘汰）

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🔍 运行原理图解

每次执行操作时，双向链表的结构如下所示（假设 head 在左，tail 在右）：

• 初始放入 a → head = a, tail = a
• 放入 b → a <-> b
• 访问 a：a 移到头部 → a <-> b
• 放入 c，超过容量，淘汰尾部 b → a <-> c

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✅ 总结亮点

特性	实现方式
泛型支持	<Key: Hashable, Value> 泛型设计
O(1) 查找	使用 Dictionary
O(1) 插入删除	使用双向链表
高复用性	泛型设计支持任意 Key/Value 类型

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