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1.unordered_set、unordered_map的结构分析:
2.unordered_set、unordered_map模拟实现:
后记:●由于作者水平有限,文章难免存在谬误之处,敬请读者斧正,俚语成篇,恳望指教!
1.1 哈希表的改造
1. 模板参数列表的改造2. 增加迭代器操作
// K:关键码类型 // V: 不同容器V的类型不同,如果是unordered_map,V代表一个键值对,如果是 unordered_set,V 为 K // KeyOfValue: 因为V的类型不同,通过value取key的方式就不同,详细见 unordered_map/set的实现 // HF: 哈希函数仿函数对象类型,哈希函数使用除留余数法,需要将Key转换为整形数字才能 取模 template<class K, class V, class KeyOfValue, class HF = DefHashF<T> > class HashBucket;3. 增加通过key获取value操作
// 为了实现简单,在哈希桶的迭代器类中需要用到hashBucket本身, template<class K, class V, class KeyOfValue, class HF> class HashBucket; // 注意:因为哈希桶在底层是单链表结构,所以哈希桶的迭代器不需要--操作 template <class K, class V, class KeyOfValue, class HF> struct HBIterator { typedef HashBucket<K, V, KeyOfValue, HF> HashBucket; typedef HashBucketNode<V>* PNode; typedef HBIterator<K, V, KeyOfValue, HF> Self; HBIterator(PNode pNode = nullptr, HashBucket* pHt = nullptr); Self& operator++() { // 当前迭代器所指节点后还有节点时直接取其下一个节点 if (_pNode->_pNext) _pNode = _pNode->_pNext; else { // 找下一个不空的桶,返回该桶中第一个节点 size_t bucketNo = _pHt->HashFunc(KeyOfValue()(_pNode- >_data))+1; for (; bucketNo < _pHt->BucketCount(); ++bucketNo) { if (_pNode = _pHt->_ht[bucketNo]) break; } }return *this; } Self operator++(int); V& operator*(); V* operator->(); bool operator==(const Self& it) const; bool operator!=(const Self& it) const; PNode _pNode; // 当前迭代器关联的节点 HashBucket* _pHt; // 哈希桶--主要是为了找下一个空桶时候方便 };
template<class K, class V, class KeyOfValue, class HF = DefHashF<T> > class HashBucket { friend HBIterator<K, V, KeyOfValue, HF>; // ...... public: typedef HBIterator<K, V, KeyOfValue, HF> Iterator; // // ... // 迭代器 Iterator Begin() { size_t bucketNo = 0; for (; bucketNo < _ht.capacity(); ++bucketNo) { if (_ht[bucketNo]) break; } if (bucketNo < _ht.capacity()) return Iterator(_ht[bucketNo], this); else return Iterator(nullptr, this); } Iterator End(){ return Iterator(nullptr, this);} Iterator Find(const K& key); Iterator Insert(const V& data); Iterator Erase(const K& key); // 为key的元素在桶中的个数 size_t Count(const K& key) { if(Find(key) != End()) return 1; return 0; } size_t BucketCount()const{ return _ht.capacity();} size_t BucketSize(size_t bucketNo) { size_t count = 0; PNode pCur = _ht[bucketNo]; while(pCur) { count++; pCur = pCur->_pNext; } return count; } // ...... };1.2 unordered_map模型分析:
// unordered_map中存储的是pair<K, V>的键值对,K为key的类型,V为value的类型,HF哈希 函数类型 // unordered_map在实现时,只需将hashbucket中的接口重新封装即可 template<class K, class V, class HF = DefHashF<K>> class unordered_map { typedef pair<K, V> ValueType; typedef HashBucket<K, ValueType, KeyOfValue, HF> HT; // 通过key获取value的操作 struct KeyOfValue { const K& operator()(const ValueType& data) { return data.first;} }; public: typename typedef HT::Iterator iterator; public: unordered_map(): _ht() {} iterator begin(){ return _ht.Begin();} iterator end(){ return _ht.End();} // capacity size_t size()const{ return _ht.Size();} bool empty()const{return _ht.Empty();} /// // Acess V& operator[](const K& key) { return (*(_ht.InsertUnique(ValueType(key, V())).first)).second; } const V& operator[](const K& key)const; // // lookup iterator find(const K& key){ return _ht.Find(key);} size_t count(const K& key){ return _ht.Count(key);} / // modify pair<iterator, bool> insert(const ValueType& valye) { return _ht.Insert(valye);} iterator erase(iterator position) { return _ht.Erase(position);} // bucket size_t bucket_count(){ return _ht.BucketCount();} size_t bucket_size(const K& key){ return _ht.BucketSize(key);} private: HT _ht; };
2.1 unordered_set模拟实现:
#include"OpenHT.h" namespace my { template<class K, class HashFunc = DefaultHash<K>> class unordered_set { //内部类 struct SetKeyOfT { const K& operator()(const K& key) { return key; } }; public: typedef typename Bucket::HashTable<K, K, SetKeyOfT, HashFunc>::iterator iterator; iterator begin() { return _ht.begin(); } iterator end() { return _ht.end(); } //bool insert(const K& key) pair<iterator, bool> insert(const K& key) { return _ht.Insert(key); } iterator find(const K& key) { return _ht.Find(key); } bool erase(const K& key) { return _ht.Erase(key); } private: Bucket::HashTable<K, K, SetKeyOfT,HashFunc> _ht; }; }2.2 unordered_map模拟实现:
#include"OpenHT.h" namespace my { template<class K, class V, class HashFunc = DefaultHash<K>> class unordered_map { //内部类 struct MapKeyOfT { const K& operator()(const pair<K,V>& kv) { return kv.first; } }; public: //定义map的迭代器 typedef typename Bucket::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, HashFunc> ::iterator iterator; iterator begin() { return _ht.begin(); } iterator end() { return _ht.end(); } //bool insert(const pair<K, V>& kv) pair<iterator,bool> insert(const pair<K, V>& kv) { return _ht.Insert(kv); } iterator find(const K& key) { return _ht.Find(key); } bool erase(const K& key) { return _ht.Erase(key); } V& operator[](const K& key) { //pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V())); auto ret = insert(make_pair(key, V())); return ret.first->second; //first是迭代器,而map里面访问second要用->,其实这里有两个->,但为了可读性 } private: Bucket::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT,HashFunc> _ht; }; }2.3 附用的模拟实现的开散列哈希表
OpenHT.h:
#pragma once #include<iostream> #include<string> #include<vector> #include<map> #include<set> #include<unordered_map> #include<unordered_set> using namespace std; //仿函数 template<class K> struct DefaultHash //1.普通类直接强转 { size_t operator()(const K& key) { return(size_t)key; //支持取模,强转为整数 } }; template<> struct DefaultHash<string> //String类特化 { size_t operator()(const string& key) { //4.BKDR法 size_t hash = 0; for (auto ch : key) { hash = hash * 131 + ch; } return hash; } }; namespace Bucket { template<class T> struct HashNode { T _data; HashNode<T>* _next; HashNode(const T& data) :_data(data) , _next(nullptr) {} }; template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc> class HashTable; template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc> class __HTIterator //单向迭代器 { typedef HashNode<T> Node; typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, HashFunc> Self; public: Node* _node; HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* _pht; __HTIterator(){} //默认哈希迭代器构造函数 __HTIterator(Node* node, HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* pht) :_node(node) ,_pht(pht) {} Self& operator++() { if (_node->_next) { _node = _node->_next; } else { KeyOfT kot; HashFunc hf; size_t hashi = hf(kot(_node->_data))%_pht->_tables.size(); ++hashi; //找下一个不为空的桶 for (; hashi < _pht->_tables.size(); ++hashi) { if (_pht->_tables[hashi]) { _node = _pht->_tables[hashi]; break; } } // 没有找到不为空的桶,用nullptr去做end标识 if (hashi == _pht->_tables.size()) { _node = nullptr; } } return *this; } T& operator*() { return _node->_data; } T* operator->() { return &_node->_data; } bool operator!=(const Self& s) const { return _node != s._node; } bool operator==(const Self& s) const { return _node == s._node; } }; //unordered_set--->HashTable<K, K, SetKeyOfT> _ht; //unordered_map--->HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT> _ht; template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc> class HashTable { template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc> friend class __HTIterator; typedef HashNode<T> Node; public: typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, HashFunc> iterator; iterator begin() { for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i) { Node* cur = _tables[i]; if (cur) { return iterator(cur, this); } } return end(); } iterator end() { return iterator(nullptr, this); } //手动实现Node的析构函数 ~HashTable() { for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i) { Node* cur = _tables[i]; while (cur) { Node* next = cur->_next; delete cur; cur = next; } _tables[i] = nullptr; } } /// HashTable() = default; //强制生成默认构造函数 链表桶的深拷贝 //HashTable(const HashTable<K, V> ht) //{ // int sz = ht._tables.size(); // for (int i = 0; i < sz; i++) // { // Node* cur = ht._tables[i]; // while (cur) // { // this->Insert(cur->_kv); // cur = cur->_next; // } // } // _n = ht._n; //} 链表桶的赋值重载 //HashTable<K, V>& operator=(HashTable<K, V> ht) //{ // //现代写法 // ht._tablle.swap(_tables); // _n = ht._n; //} /// size_t GetNextPrime(size_t prime) { const int PRIMECOUNT = 28; static const size_t primeList[PRIMECOUNT] = { 53ul, 97ul, 193ul, 389ul, 769ul, 1543ul, 3079ul, 6151ul, 12289ul, 24593ul, 49157ul, 98317ul, 196613ul, 393241ul, 786433ul, 1572869ul, 3145739ul, 6291469ul, 12582917ul, 25165843ul, 50331653ul, 100663319ul, 201326611ul, 402653189ul, 805306457ul, 1610612741ul, 3221225473ul, 4294967291ul }; // 获取比prime大那一个素数 size_t i = 0; for (; i < PRIMECOUNT; ++i) { if (primeList[i] > prime) return primeList[i]; } return primeList[i]; } //bool Insert(const T& data) pair<iterator,bool> Insert(const T& data) { HashFunc hf; KeyOfT kot; //if (Find(kot(data))) //使用仿函数,不知道data是set还是map //if (Find(kot(data))!=end()) //使用仿函数,不知道data是set还是map iterator pos = Find(kot(data)); if(pos!=end()) { //return false; return make_pair(pos,false); } //负载因子(这里设置为1) 扩容 if (_tables.size() == _n) { //写法2:扩容 //size_t newSize = _tables.size() == 0 ? 10 : _tables.size() * 2; //写法3: size_t newSize = GetNextPrime(_tables.size()); if (newSize != _tables.size()) { vector<Node*> newTable; newTable.resize(newSize, nullptr); for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i) { Node* cur = _tables[i]; while (cur) { size_t hashi = hf(kot(cur->_data)) % newSize; //hf转换为整型,kot()取k cur->_next = newTable[hashi]; newTable[hashi] = cur; cur = cur->_next; } _tables[i] = nullptr; } newTable.swap(_tables); } } size_t hashi = hf(kot(data)); //两层仿函数调用 hashi %= _tables.size(); //头插到对应的桶即可 Node* newnode = new Node(data); newnode->_next = _tables[hashi]; _tables[hashi] = newnode; ++_n; //return true; return make_pair(iterator(newnode,this),false); } //Node* Find(const K& key) iterator Find(const K& key) { if (_tables.size() == 0) { //return nullptr; return iterator(nullptr,this); } KeyOfT kot; //写法1:有名对象 HashFunc hf; size_t hashi = hf(key); //写法2:匿名对象 //size_t hashi = HashFunc()(key); hashi %= _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi]; while (cur) { if (kot(cur->_data) == key) { //return cur; return iterator(cur, this); } cur = cur->_next; } //return nullptr; //效率高,是因为直接返回了指针 return iterator(nullptr, this); } bool Erase(const K& key) { if (_tables.size() == 0) { return false; } KeyOfT kot; //写法1:有名对象 HashFunc hf; size_t hashi = hf(key); hashi %= _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi]; Node* prev = nullptr; while (cur) { if (kot(cur->_data) == key) { if (prev == nullptr) { _tables[hashi] = cur->_next; } else { prev->_next = cur->_next; } delete cur; return true; } cur = cur->_next; } return false; } private: //指针数组 //没有使用list,是因为list是双向链表,成本大 vector<list<>> _tables; 但不用手动写析构函数 vector<Node*> _tables; //开散列采用挂起,如果新表扩容,那么当旧表释放,vector会将自己的释放, //但是挂在vector的结点Node* 不会自动释放,因为Node* 是内置类型,需要手动释放。 size_t _n = 0; }; }Test.cpp:
#include"OpenHT.h" #include"UnorderedSet.h" #include"UnorderedMap.h" // //1.库中的UnorderedSet、UnorderedMap测试 void test_std_UnorderedSet() { std::unordered_set<int> s; s.insert(9); s.insert(7); s.insert(2); s.insert(1); s.insert(6); s.insert(5); //1.迭代器遍历 //unordered_set<int>::iterator it = s.begin(); //auto it = s.begin(); //写法2: std::unordered_set<int>::iterator it; it = s.begin(); while (it != s.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; //2.范围for遍历 for (auto e : s) { cout << e << " "; } cout << endl; } void test_std_UnorderedMap() { std::unordered_map<string, string> dict; dict.insert(make_pair("sort", "排序")); dict.insert(make_pair("left", "左边")); dict.insert(make_pair("left", "剩余")); dict["string"]; dict["left"] = "剩余"; dict["string"] = "字符串"; //迭代器遍历 //std::unordered_map<string, string>::iterator it = dict.begin(); auto it = dict.begin(); while (it != dict.end()) { cout << it->first << " " << it->second << endl; ++it; } cout << endl; //范围for遍历 for (auto& kv : dict) { cout << kv.first << " " << kv.second << endl; } } // //2.模拟实现UnorderedSet、UnorderedMap测试 void test_my_UnorderedSet() { my::unordered_set<int> s; s.insert(9); s.insert(7); s.insert(2); s.insert(1); s.insert(6); s.insert(5); //1.迭代器遍历 //my::unordered_set<int>::iterator it = s.begin(); //auto it = s.begin(); //写法2: my::unordered_set<int>::iterator it; it = s.begin(); while (it != s.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; //2.范围for遍历 for (auto e : s) { cout << e << " "; } cout << endl; } void test_my_UnorderedMap() { my::unordered_map<string, string> dict; dict.insert(make_pair("sort", "排序")); dict.insert(make_pair("left", "左边")); dict.insert(make_pair("left", "剩余")); dict["string"]; dict["left"] = "剩余"; dict["string"] = "字符串"; //迭代器遍历 //my::unordered_map<string, string>::iterator it = dict.begin(); auto it = dict.begin(); while (it != dict.end()) { cout << it->first << " " << it->second << endl; ++it; } cout << endl; //范围for遍历 for (auto& kv : dict) { cout << kv.first << " " << kv.second << endl; } } int main() { //test_std_UnorderedSet(); //test_std_UnorderedMap(); //test_my_UnorderedSet(); test_my_UnorderedMap(); return 0; }
测试示例:
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