LeetCode - 460 LFU缓存(Java JS Python)

news2025/1/11 18:46:06

题目来源

460. LFU 缓存 - 力扣(LeetCode)

题目描述

请你为 最不经常使用(LFU)缓存算法设计并实现数据结构。

实现 LFUCache 类:

  • LFUCache(int capacity) - 用数据结构的容量 capacity 初始化对象
  • int get(int key) - 如果键 key 存在于缓存中,则获取键的值,否则返回 -1 。
  • void put(int key, int value) - 如果键 key 已存在,则变更其值;如果键不存在,请插入键值对。当缓存达到其容量 capacity 时,则应该在插入新项之前,移除最不经常使用的项。在此问题中,当存在平局(即两个或更多个键具有相同使用频率)时,应该去除 最久未使用 的键。

为了确定最不常使用的键,可以为缓存中的每个键维护一个 使用计数器 。使用计数最小的键是最久未使用的键。

当一个键首次插入到缓存中时,它的使用计数器被设置为 1 (由于 put 操作)。对缓存中的键执行 get 或 put 操作,使用计数器的值将会递增。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

示例

输入

["LFUCache", "put", "put", "get", "put", "get", "get", "put", "get", "get", "get"]
[[2], [1, 1], [2, 2], [1], [3, 3], [2], [3], [4, 4], [1], [3], [4]]

输出

[null, null, null, 1, null, -1, 3, null, -1, 3, 4]

解释

// cnt(x) = 键 x 的使用计数
// cache=[] 将显示最后一次使用的顺序(最左边的元素是最近的)
LFUCache lfu = new LFUCache(2);
lfu.put(1, 1);   // cache=[1,_], cnt(1)=1
lfu.put(2, 2);   // cache=[2,1], cnt(2)=1, cnt(1)=1
lfu.get(1);      // 返回 1
                 // cache=[1,2], cnt(2)=1, cnt(1)=2
lfu.put(3, 3);   // 去除键 2 ,因为 cnt(2)=1 ,使用计数最小
                 // cache=[3,1], cnt(3)=1, cnt(1)=2
lfu.get(2);      // 返回 -1(未找到)
lfu.get(3);      // 返回 3
                 // cache=[3,1], cnt(3)=2, cnt(1)=2
lfu.put(4, 4);   // 去除键 1 ,1 和 3 的 cnt 相同,但 1 最久未使用
                 // cache=[4,3], cnt(4)=1, cnt(3)=2
lfu.get(1);      // 返回 -1(未找到)
lfu.get(3);      // 返回 3
                 // cache=[3,4], cnt(4)=1, cnt(3)=3
lfu.get(4);      // 返回 4
                 // cache=[3,4], cnt(4)=2, cnt(3)=3

提示

  • 1 <= capacity <= 104
  • 0 <= key <= 105
  • 0 <= value <= 109
  • 最多调用 2 * 10^5 次 get 和 put 方法

题目解析

LFU缓存可以通过:两个哈希表(Map结构) + 双向链表来实现。

我们可以定义两个哈希表keyMap和freqMap,其中:

  • keyMap的键是"本题key",值为"双向链表节点node"
  • freqMap的键是"本题key的使用次数freq",值为”对应使用次数freq的key对应的node组成的双向链表“

而双向链表节点node用于记录key的如下信息:

  • key:本题的key
  • val:本题的value
  • freq:对应key使用次数

可能上面说法比较晦涩,下面通过图示来说:










以上就是两个哈希Map,以及双向链表完成LFU缓存的逻辑。

上面逻辑中,有一个问题,那么就是每次LFU容量不足时,我们需要删除掉最少、最远使用的key,那么首先如何找到最少使用次数的key呢?

上面图示中,我们是通过人眼识别出freqMap键列中最小的键,即为最少使用次数。

那么代码该如何实现呢?

我们可以定义一个全局变量(或者类静态变量)minFreq来记录最少使用次数,而minFreq的更新有如下时机:

  • 1、put新增操作一定会带来一个使用次数freq=1的键,且此新键的使用次数1一定是最少的,此时我们可以更新minFreq=1
  • 2、get和put更新操作会新增对应key的使用次数,因此在新增使用次数后,该key需要从对应使用次数的DLink中去除,如果对应DLink只有该key对应节点,且对应DLink是最少使用次数对应的容器链表,那么删除key后,该DLInk就为空,那么最少使用次数的key就没了。此时我们可以直接将minFreq++,因为如果当前key在新增使用次数前是唯一的最少使用次数key,那么当前key新增使用次数后,依旧是最少使用次数的key。而minFreq就是当前key新增使用次数前的使用次数。

Java算法源码

import java.util.HashMap;

class LFUCache {
  /** 双向链表节点 */
  static class Node {
    /** 记录本题的键 */
    int key;

    /** 记录本题的值 */
    int val;

    /** 记录该键被访问的次数 */
    int freq;

    /** 当前节点的上一个节点 */
    Node prev;

    /** 当前节点的下一个节点 */
    Node next;

    public Node(int key, int val, int freq) {
      this.key = key;
      this.val = val;
      this.freq = freq;
      this.prev = null;
      this.next = null;
    }
  }

  /** 双向链表 */
  static class Link {
    /** 链表中节点个数 */
    int size;

    /** 链表头节点 */
    Node head;

    /** 链表尾节点 */
    Node tail;

    public Link() {
      this.size = 0;
      this.head = null;
      this.tail = null;
    }

    /**
     * 尾插
     *
     * @param node 要被插入的节点
     */
    public void addLast(Node node) {
      if (this.size == 0) {
        // 空链表,则node节点插入后,即为头、尾节点
        this.head = node;
        this.tail = node;
      } else {
        // 非空链表,则node节点插入到tail节点后面
        this.tail.next = node;
        node.prev = this.tail;
        this.tail = node;
      }
      this.size++;
    }

    /**
     * 删除指定节点
     *
     * @param node 要删除的节点
     */
    public void remove(Node node) {
      // 空链表没有节点,所以无法删除
      if (this.size == 0) return;

      if (this.size == 1) {
        // 链表只有一个节点,则删除完后,变为空链表
        this.head = null;
        this.tail = null;
      } else if (this.head == node) {
        // 如果要删除的节点是头节点
        this.head = this.head.next;
        this.head.prev = null;
      } else if (this.tail == node) {
        // 如果要删除的节点是尾节点
        this.tail = this.tail.prev;
        this.tail.next = null;
      } else {
        // 如果要删除的节点是中间节点
        node.prev.next = node.next;
        node.next.prev = node.prev;
      }

      this.size--;
    }
  }

  /** keyMap用于记录key对应的node */
  HashMap<Integer, Node> keyMap;

  /** freqMap的key是访问次数,value是具有相同访问次数的key对应的node组成的链表,链表头是最远访问的,链表尾是最近访问的 */
  HashMap<Integer, Link> freqMap;

  /** LFU缓存中能记录的最多key的数量 */
  int capacity;

  /** LFU缓存中所有的key中最少的访问次数 */
  int minFreq;

  public LFUCache(int capacity) {
    this.keyMap = new HashMap<>();
    this.freqMap = new HashMap<>();
    this.capacity = capacity;
    this.minFreq = 0;
  }

  public int get(int key) {
    if (this.keyMap.containsKey(key)) {
      // 存在对应key,则返回对应val
      Node node = this.keyMap.get(key);
      incNodeFreq(node); // get操作会新增对应key的访问次数
      return node.val;
    } else {
      // 不存在对应key,则返回-1
      return -1;
    }
  }

  public void put(int key, int value) {
    // 对应key已存在,则为更新场景
    if (this.keyMap.containsKey(key)) {
      Node node = this.keyMap.get(key);
      incNodeFreq(node); // 更新操作会增加对应key的访问次数
      node.val = value;
    }
    // 对应key不存在,则为新增场景
    else {
      // 先判断容量是否超过,keyMap的key数量就是LFU缓存中记录的key数量
      if (this.keyMap.size() >= this.capacity) {
        Link link = this.freqMap.get(this.minFreq);
        int removeKey = link.head.key;
        link.remove(link.head); // 最少访问次数所在链表的头节点,即为:最少、最远访问的key,容量不足时,需要优先删除它
        this.keyMap.remove(removeKey); // 注意,不要遗漏将keyMap中该key删除
      }

      // 新增key,则对应key的访问次数为1,且为最少访问次数
      this.minFreq = 1;
      Node node = new Node(key, value, this.minFreq);

      // 将新增key对应的node加入到freqMap,和keyMap中
      this.freqMap.putIfAbsent(this.minFreq, new Link());
      this.freqMap.get(this.minFreq).addLast(node);
      this.keyMap.put(key, node);
    }
  }

  /**
   * 增加key的访问次数
   *
   * @param node key对应的node
   */
  public void incNodeFreq(Node node) {
    // 由于key的访问次数增加,因此要从原访问次数的链表中删除
    this.freqMap.get(node.freq).remove(node);

    // 如果原链表删除当前key对应的节点后为空,且原链表对应的访问次数就是最少访问次数
    if (this.freqMap.get(node.freq).size == 0 && node.freq == this.minFreq) {
      // 则最少访问次数对应的key没有了,因此最少访问次数++(即当前key访问次数++后,当前key的访问次数还是最少访问次数)
      this.minFreq++;
    }

    // 当前key访问次数++
    node.freq++;

    // 将当前key对应的node转移到对应增加后的访问次数对应的链表尾部(最近访问)
    this.freqMap.putIfAbsent(node.freq, new Link());
    this.freqMap.get(node.freq).addLast(node);
  }
}

JS算法源码

/** 双向链表节点 */
class Node {
  constructor(key, val, freq) {
    /** 记录本题的键 */
    this.key = key;
    /** 记录本题的值 */
    this.val = val;
    /** 记录该键被访问的次数 */
    this.freq = freq;
    /** 当前节点的上一个节点 */
    this.prev = null;
    /** 当前节点的下一个节点 */
    this.next = null;
  }
}

/** 双向链表 */
class Link {
  constructor() {
    /** 链表中节点个数 */
    this.size = 0;
    /** 链表头节点 */
    this.head = null;
    /** 链表尾节点 */
    this.tail = null;
  }

  /**
   * 尾插
   * @param {*} node 要被插入的节点
   */
  addLast(node) {
    if (this.size == 0) {
      // 空链表,则node节点插入后,即为头、尾节点
      this.head = node;
      this.tail = node;
    } else {
      // 非空链表,则node节点插入到tail节点后面
      this.tail.next = node;
      node.prev = this.tail;
      this.tail = node;
    }
    this.size++;
  }

  /**
   * 删除指定节点
   * @param {*} node 要删除的节点
   */
  remove(node) {
    // 空链表没有节点,所以无法删除
    if (this.size == 0) return;

    if (this.size == 1) {
      // 链表只有一个节点,则删除完后,变为空链表
      this.head = null;
      this.tail = null;
    } else if (this.head == node) {
      // 如果要删除的节点是头节点
      this.head = this.head.next;
      this.head.prev = null;
    } else if (this.tail == node) {
      // 如果要删除的节点是尾节点
      this.tail = this.tail.prev;
      this.tail.next = null;
    } else {
      // 如果要删除的节点是中间节点
      node.prev.next = node.next;
      node.next.prev = node.prev;
    }

    this.size--;
  }
}

/**
 * @param {number} capacity
 */
var LFUCache = function (capacity) {
  /** keyMap用于记录key对应的node */
  this.keyMap = new Map();
  /** freqMap的key是访问次数,value是具有相同访问次数的key对应的node组成的链表,链表头是最远访问的,链表尾是最近访问的 */
  this.freqMap = new Map();
  /** LFU缓存中能记录的最多key的数量 */
  this.capacity = capacity;
  /** LFU缓存中所有的key中最少的访问次数 */
  this.minFreq = 0;
};

/**
 * @param {number} key
 * @return {number}
 */
LFUCache.prototype.get = function (key) {
  if (this.keyMap.has(key)) {
    // 存在对应key,则返回对应val
    const node = this.keyMap.get(key);
    this.incNodeFreq(node); // get操作会新增对应key的访问次数
    return node.val;
  } else {
    // 不存在对应key,则返回-1
    return -1;
  }
};

/**
 * @param {number} key
 * @param {number} value
 * @return {void}
 */
LFUCache.prototype.put = function (key, value) {
  // 对应key已存在,则为更新场景
  if (this.keyMap.has(key)) {
    const node = this.keyMap.get(key);
    this.incNodeFreq(node); // 更新操作会增加对应key的访问次数
    node.val = value;
  }
  // 对应key不存在,则为新增场景
  else {
    // 先判断容量是否超过,keyMap的key数量就是LFU缓存中记录的key数量
    if (this.keyMap.size >= this.capacity) {
      const link = this.freqMap[this.minFreq];
      const removeKey = link.head.key;
      link.remove(link.head); // 最少访问次数所在链表的头节点,即为最少、最远访问的key,容量不足时,需要优先删除它
      this.keyMap.delete(removeKey); // 注意,不要遗漏将keyMap中该key删除
    }

    // 新增key,则对应key的访问次数为1,且为最少访问次数
    this.minFreq = 1;

    // 将新增key对应的node加入到freqMap,和keyMap中
    const node = new Node(key, value, this.minFreq);

    if (this.freqMap[this.minFreq] == undefined) {
      this.freqMap[this.minFreq] = new Link();
    }

    this.freqMap[this.minFreq].addLast(node);
    this.keyMap.set(key, node);
  }
};

/**
 * 增加key的访问次数
 * @param {*} node key对应的node
 */
LFUCache.prototype.incNodeFreq = function (node) {
  // 由于key的访问次数增加,因此要从原访问次数的链表中删除
  this.freqMap[node.freq].remove(node);

  // 如果原链表删除当前key对应的节点后为空,且原链表对应的访问次数就是最少访问次数
  if (this.freqMap[node.freq].size == 0 && node.freq == this.minFreq) {
    // 则最少访问次数对应的key没有了,因此最少访问次数++(即当前key访问次数++后,当前key的访问次数还是最少访问次数)
    this.minFreq++;
  }

  // 当前key访问次数++
  node.freq++;

  // 将当前key对应的node转移到对应增加后的访问次数对应的链表尾部(最近访问)
  if (this.freqMap[node.freq] == undefined) {
    this.freqMap[node.freq] = new Link();
  }

  this.freqMap[node.freq].addLast(node);
};

Python算法源码

# 双向链表节点
class Node:
    def __init__(self, key, val, freq):
        """
        :param key: 记录本题的键
        :param val: 记录本题的值
        :param freq: 记录该键被访问的次数
        """
        self.key = key
        self.val = val
        self.freq = freq
        self.prev = None
        self.next = None


# 双向链表
class Link:
    def __init__(self):
        self.size = 0
        self.head = None
        self.tail = None

    def addLast(self, node):
        """
        尾插
        :param node: 要被插入的节点
        """
        if self.size == 0:
            # 空链表,则node节点插入后,即为头、尾节点
            self.head = node
            self.tail = node
        else:
            # 非空链表,则node节点插入到tail节点后面
            self.tail.next = node
            node.prev = self.tail
            self.tail = node

        self.size += 1

    def remove(self, node):
        """
        删除指定节点
        :param node: 要删除的节点
        """
        if self.size == 0:
            # 空链表没有节点,所以无法删除
            return

        if self.size == 1:
            # 链表只有一个节点,则删除完后,变为空链表
            self.head = None
            self.tail = None
        elif self.head == node:
            # 如果要删除的节点是头节点
            self.head = self.head.next
            self.head.prev = None
        elif self.tail == node:
            # 如果要删除的节点是尾节点
            self.tail = self.tail.prev
            self.tail.next = None
        else:
            # 如果要删除的节点是中间节点
            node.prev.next = node.next
            node.next.prev = node.prev

        self.size -= 1


class LFUCache(object):

    def __init__(self, capacity):
        self.keyMap = {}  # keyMap用于记录key对应的node
        self.freqMap = {}  # freqMap的key是访问次数,value是具有相同访问次数的key对应的node组成的链表,链表头是最远访问的,链表尾是最近访问的
        self.capacity = capacity  # LFU缓存中能记录的最多key的数量
        self.minFreq = 0  # LFU缓存中所有的key中最少的访问次数

    def get(self, key):
        if key in self.keyMap:
            # 存在对应key,则返回对应val
            node = self.keyMap[key]
            self.incNodeFreq(node)  # get操作会新增对应key的访问次数
            return node.val
        else:
            # 不存在对应key,则返回-1
            return -1

    def put(self, key, value):
        if key in self.keyMap:
            # 对应key已存在,则为更新场景
            node = self.keyMap[key]
            self.incNodeFreq(node)  # 更新操作会增加对应key的访问次数
            node.val = value
        else:
            # 对应key不存在,则为新增场景
            # 先判断容量是否超过,keyMap的key数量就是LFU缓存中记录的key数量
            if len(self.keyMap) >= self.capacity:
                link = self.freqMap[self.minFreq]
                removeKey = link.head.key
                link.remove(link.head)  # 最少访问次数所在链表的头节点,即为:最少、最远访问的key,容量不足时,需要优先删除它
                self.keyMap.pop(removeKey)  # 注意,不要遗漏将keyMap中该key删除

            # 新增key,则对应key的访问次数为1,且为最少访问次数
            self.minFreq = 1
            node = Node(key, value, self.minFreq)

            # 将新增key对应的node加入到freqMap,和keyMap中
            self.freqMap.setdefault(self.minFreq, Link())
            self.freqMap.get(self.minFreq).addLast(node)
            self.keyMap[key] = node

    def incNodeFreq(self, node):
        """
        增加key的访问次数
        :param node: key对应的node
        """
        # 由于key的访问次数增加,因此要从原访问次数的链表中删除
        self.freqMap[node.freq].remove(node)

        # 如果原链表删除当前key对应的节点后为空,且原链表对应的访问次数就是最少访问次数
        if self.freqMap[node.freq].size == 0 and node.freq == self.minFreq:
            # 则最少访问次数对应的key没有了,因此最少访问次数++(即当前key访问次数++后,当前key的访问次数还是最少访问次数)
            self.minFreq += 1

        # 当前key访问次数++
        node.freq += 1

        # 将当前key对应的node转移到对应增加后的访问次数对应的链表尾部(最近访问)
        self.freqMap.setdefault(node.freq, Link())
        self.freqMap[node.freq].addLast(node)

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<el-slider v-model"value2" style"width: 87%;position: absolute;bottom: 9px;" disabled :show-tooltip"false"></el-slider>value2: 0,// 百分比条 ::v-deep .el-slider__runway.disabled .el-slider__bar {background-color: #…

饥荒Mod 开发(十一):修改物品堆叠

饥荒Mod 开发(十)&#xff1a;制作一把AOE武器 饥荒Mod 开发(十二)&#xff1a;一键制作 饥荒中物品栏有限&#xff0c;要拾取的物品有很多&#xff0c;经常装不下要忍痛丢掉各种东西&#xff0c;即使可以将物品放在仓库但是使用不方便&#xff0c;所以可以将物品的堆叠个数设…

springcloud:对象存储组件MinIO

类似于FastDFS/HDFS的一个文件存储服务&#xff01; SpringBoot整合MinIO实现分布式文件服务&#xff01; #MinIO简介&#xff1f; Minio 是个基于 Golang 编写的开源对象存储套件&#xff0c;基于Apache License v2.0开源协议&#xff0c;虽然轻量&#xff0c;却拥有着不错的…

低代码开发平台的优势及应用场景分析

文章目录 低代码是什么&#xff1f;低代码起源低代码分类低代码的能力低代码的需求市场需要专业开发者需要数字化转型需要 低代码的趋势如何快速入门低代码开发低代码应用领域 低代码是什么&#xff1f; 低代码&#xff08;Low-code&#xff09;是著名研究机构Forrester于2014…

JS中的模板字符串(ES6中的模板字面量语法),什么是模板字符串、怎么使用,附代码演示

模板字符串 1、JavaScript 在 ES6 新增了模板字符串语法。模板字符串可以作为普通字符串使用&#xff0c;其作用是可以在字符串中换行&#xff08;也就是支持多行字符串&#xff09;以及将变量和表达式插入字符串。 2、整个语法&#xff1a;使用反引号 &#xff0c;而不是单引…

如何绘制甘特图?

甘特图(Gantt chart) 又叫横道图、条状图(Bar chait)。它是在第一次世界大战时期发明的&#xff0c;以亨利I甘特先生的名字命名&#xff0c;他制定了一个完整地用条形图表进度的标志系统。甘特图内在思想简单&#xff0c;即以图示的方式通过活动列表和时间刻度形象地表示出任何…

【C++高阶(七)】C++异常处理的方式

&#x1f493;博主CSDN主页:杭电码农-NEO&#x1f493;   ⏩专栏分类:C从入门到精通⏪   &#x1f69a;代码仓库:NEO的学习日记&#x1f69a;   &#x1f339;关注我&#x1faf5;带你学习C   &#x1f51d;&#x1f51d; 异常处理的方式 1. 前言2. C语言处理异常的方式…

【密码学】群的证明(习题)

0.前置知识 1.习题 记录一次密码学作业~群的判定 2.求解

Chrome2023新版收藏栏UI改回旧版

版本 120.0.6099.109&#xff08;正式版本&#xff09;Chrome浏览器菜单新版、旧版的差异 想要将书签、功能内容改回旧版的朋友可以网址栏输入&#xff1a;「chrome://flags」&#xff0c;接着搜寻「Chrome Refresh 2023」。 最后将 Chrome Refresh 2023、Chrome Refresh 2023…

HNU-数据库系统-实验1-数据定义/数据操纵

数据库系统 课程实验1数据定义/数据操纵 计科210X 甘晴void 202108010XXX 目录 文章目录 数据库系统 课程实验1<br>数据定义/数据操纵实验目的实验样例实验环境实验内容1.1 数据库定义1&#xff09;实验内容与要求2&#xff09;实验重难点3&#xff09;实验基础知识①模…

【JAVA-Day69】抛出异常的精髓:深度解析 throw、throws 关键字,优雅处理异常问题

抛出异常的精髓&#xff1a;深度解析 throw、throws 关键字&#xff0c;优雅处理异常问题 &#x1f680; 抛出异常的精髓&#xff1a;深度解析 throw、throws 关键字&#xff0c;优雅处理异常问题 &#x1f680;一、什么是抛出异常 &#x1f60a;二、如何抛出异常 &#x1f914…

复合型下拉框

element只提供了复合型输入框&#xff0c;复合型下拉框的效果&#xff0c;我是通过button与el-select拼接形成的&#xff0c;代码如下&#xff1a; <div class"form"><button class"btn">是否需要审核</button><el-select v-model&q…

C语言之文件操作(上)

C语言之文件操作&#xff08;上&#xff09; 文章目录 C语言之文件操作&#xff08;上&#xff09;1. 什么是⽂件&#xff1f;1.1 程序⽂件1.2 数据⽂件1.3 ⽂件名 2. ⼆进制⽂件和⽂本⽂件3. ⽂件的打开和关闭3.1 流和标准流3.1.1 流3.1.2 标准流 4. ⽂件指针5. 文件的打开与关…

c语言:制造简单的计算器|练习题

一、题目 制造一个简单的计算器。输入两个数&#xff0c;计算加减乘除的结果。 如图&#xff1a; 二、代码截图【带注释】 三、源代码【带注释】 #include int main() { int yunSuanFu0;//定义运算符符号变量 int num1,num2;//定义要输入的两个数字 cc: printf(…

VUE中的8种常规通信方式

文章目录 1.props传递数据(父向子)2.$emit触发自定义事件&#xff08;子向父&#xff09;3.ref&#xff08;父子&#xff09;4.EventBus&#xff08;兄弟组件&#xff09;5.parent或root&#xff08;兄弟组件&#xff0c;有共同祖辈&#xff09;6.attrs和listeners&#xff08;…