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【C++】unordered_map & unordered_set 底层刨析

作者：知新_RL | 2024-04-25 23:11:38

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【C++】unordered_map & unordered_set 底层刨析

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在这里插入图片描述
C++ STL 库中，unordered_map 和 unordered_set 容器的底层为哈希表，本文将简单模拟哈希表（哈希桶），unordered_map 和 unordered_set 只需封装哈希表的接口即可实现。

1. 哈希表的改造

  1. 模板参数列表的改造

    • K：关键码类型
    • T：不同容器 T 的类型不同，如果是 unordered_map，T 代表一个键值对，如果是 unordered_set，T 为 K
    • KeyOfT：从 T 中获取 Key
    • Hash：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 转换为整型数字才能取模
    template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable;

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  2. 增加迭代器操作

    // 为了实现简单，在哈希桶的迭代器类中需要用到HashTable本身
template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable;

// 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 T, class KeyOfT, class Hash>
struct __HTIterator
{
	typedef HashNode<T> Node;
	typedef HashTable<K, T, KeyOfT, Hash> HT;
	typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, Hash> Self;

	Node* _node;	// 当前迭代器关联的节点
	HT* _ht;		// 哈希桶 - 主要是为了找下一个空桶时候方便

	__HTIterator(Node* node, HT* ht)
		: _node(node)
		, _ht(ht)
	{}

	T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_next)
		{
			// 当前桶还是节点
			_node = _node->_next;
		}
		else
		{
			// 当前桶走完了，找下一个桶
			KeyOfT kot;
			Hash hs;
			size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();
			
			// 找下一个桶
			hashi++;
			while (hashi < _ht->_tables.size())
			{
				if (_ht->_tables[hashi])
				{
					_node = _ht->_tables[hashi];
					break;
				}
				hashi++;
			}

			// 后面没有桶了
			if (hashi == _ht->_tables.size())
			{
				_node = nullptr;
			}
		}
		return *this;
	}

	bool operator!=(const Self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}
};

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  3. 增加通过 T 获取 key 操作

    template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable
{
	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
	friend struct __HTIterator;

	typedef HashNode<T> Node;

public:
	typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, Hash> iterator;

	iterator begin()
	{
		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
		{
			// 找到第一个桶的第一个节点
			if (_tables[i])
			{
				return iterator(_tables[i], this);
			}
		}
		return end();
	}

	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr, this);
	}

	HashTable()
	{
		_tables.resize(10, nullptr);
		_n = 0;
	}

	~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;
		}
	}

	bool Insert(const T& data)
	{
		KeyOfT kot;

		if (Find(kot(data)))
			return false;

		Hash hs;

		// 负载因子到1就扩容
		if (_n == _tables.size())
		{
			vector<Node*> newTables(_tables.size() * 2, nullptr);
			for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
			{
				// 取出旧表中节点，重新计算挂到新表桶中
				Node* cur = _tables[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;

					// 头插到新表
					size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newTables.size();
					cur->_next = newTables[hashi];
					newTables[hashi] = cur;

					cur = next;
				}
				_tables[i] = nullptr;
			}
			_tables.swap(newTables);
		}

		size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
		Node* newnode = new Node(data);

		// 头插
		newnode->_next = _tables[hashi];
		_tables[hashi] = newnode;

		++_n;
		return true;
	}

	Node* Find(const K& key)
	{
		KeyOfT kot;
		Hash hs;
		size_t hashi = hs(key) % _tables.size();
		Node* cur = _tables[hashi];
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) == key)
			{
				return cur;
			}
			cur = cur->_next;
		}
		return nullptr;
	}

	bool Erase(const K& key)
	{
		KeyOfT kot;
		Hash hs;
		size_t hashi = hs(key) % _tables.size();
		Node* prev = nullptr;
		Node* cur = _tables[hashi];
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) == key)
			{
				// 删除
				if (prev)
				{
					prev->_next = cur->_next;
				}
				else
				{
					_tables[hashi] = cur->_next;
				}

				delete cur;

				--_n;
				return true;
			}
			prev = cur;
			cur = cur->_next;
		}
		return false;
	}

private:
	vector<Node*> _tables;	// 指针数组
	size_t _n;
};

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2. unordered_map

  • 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，Hash 为哈希函数类型
  • unordered_map 在实现时，只需将 HashTable 中的接口重新封装即可
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_map
{
	// 通过T获取key的操作
	struct MapKeyOfT
	{
		const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
		{
			return kv.first;
		}
	};

public:
	typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash>::iterator iterator;
		
	iterator begin()
	{
		return _ht.begin();
	}

	iterator end()
	{
		return _ht.end();
	}

	bool insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		return _ht.Insert(kv);
	}

private:
	hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
};

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3. unordered_set

  • unordered_set 的实现类似于 unordered_map
template<class K, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_set
{
	struct SetKeyOfT
	{
		const K& operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};

public:
	typedef typename hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash>::iterator iterator;

	iterator begin()
	{
		return _ht.begin();
	}

	iterator end()
	{
		return _ht.end();
	}

	bool insert(const K& key)
	{
		return _ht.Insert(key);
	}

private:
	hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
};

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