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用哈希表封装unordered_map与unordered_set

article 2024/10/30 14:32:44

哈希表封装unordered_map与unordered_set

  • 1. 源码及框架分析
  • 2. 模拟实现unordered_map和unordered_set
    • 2.1 实现出复⽤哈希表的框架，并⽀持insert
    • 2.2 ⽀持iterator的实现
    • 2.3 map⽀持[]
    • 2.4 TSY::unordered_map和TSY::unordered_set代码实现

1. 源码及框架分析

SGI-STL30版本源代码中没有unordered_map和unordered_set，SGI-STL30版本是C++11之前的STL版本，这两个容器是C++11之后才更新的。但是SGI-STL30实现了哈希表，只容器的名字是hash_map和hash_set，他是作为⾮标准的容器出现的，⾮标准是指⾮C++标准规定必须实现的，源代码在hash_map/hash_set/stl_hash_map/stl_hash_set/stl_hashtable.h中
hash_map和hash_set的实现结构框架核⼼部分截取出来如下：

// stl_hash_set
template <class Value, class HashFcn = hash<Value>,
class EqualKey = equal_to<Value>,
class Alloc = alloc>
class hash_set
{
private:
	typedef hashtable<Value, Value, HashFcn, identity<Value>,
	EqualKey, Alloc> ht;
	ht rep;
public:
	typedef typename ht::key_type key_type;
	typedef typename ht::value_type value_type;
	typedef typename ht::hasher hasher;
	typedef typename ht::key_equal key_equal;
	typedef typename ht::const_iterator iterator;
	typedef typename ht::const_iterator const_iterator;
	hasher hash_funct() const { return rep.hash_funct(); }
	key_equal key_eq() const { return rep.key_eq(); }
};

// stl_hash_map
template <class Key, class T, class HashFcn = hash<Key>,
class EqualKey = equal_to<Key>,
class Alloc = alloc>
class hash_map
{
private:
	typedef hashtable<pair<const Key, T>, Key, HashFcn,
	select1st<pair<const Key, T> >, EqualKey, Alloc> ht;
	ht rep;
public:
	typedef typename ht::key_type key_type;
	typedef T data_type;
	typedef T mapped_type;
	typedef typename ht::value_type value_type;
	typedef typename ht::hasher hasher;
	typedef typename ht::key_equal key_equal;
	typedef typename ht::iterator iterator;
	typedef typename ht::const_iterator const_iterator;
};
// stl_hashtable.h
template <class Value, class Key, class HashFcn,
class ExtractKey, class EqualKey,
class Alloc>
class hashtable {
public:
	typedef Key key_type;
	typedef Value value_type;
	typedef HashFcn hasher;
	typedef EqualKey key_equal;
private:
	hasher hash;
	key_equal equals;
	ExtractKey get_key;
	typedef __hashtable_node<Value> node;
	vector<node*,Alloc> buckets;
	size_type num_elements;
public:
	typedef __hashtable_iterator<Value, Key, HashFcn, ExtractKey, EqualKey,
	Alloc> iterator;
	pair<iterator, bool> insert_unique(const value_type& obj);
	const_iterator find(const key_type& key) const;
};
template <class Value>
struct __hashtable_node
{
	__hashtable_node* next;
	Value val;
};

• 这⾥我们就不再画图分析了，通过源码可以看到，结构上hash_map和hash_set跟map和set的完全类似，复⽤同⼀个hashtable实现key和key/value结构，hash_set传给hash_table的是两个
key，hash_map传给hash_table的是pair<const key, value>
• 需要注意的是源码⾥⾯跟map/set源码类似，命名⻛格⽐较乱，这⾥⽐map和set还乱，hash_set模板参数居然⽤的Value命名，hash_map⽤的是Key和T命名，可⻅⼤佬有时写代码也不规范，乱弹琴。下⾯我们模拟⼀份⾃⼰的出来，就按⾃⼰的⻛格⾛了。

2. 模拟实现unordered_map和unordered_set

2.1 实现出复⽤哈希表的框架，并⽀持insert

• 参考源码框架，unordered_map和unordered_set复⽤之前我们实现的哈希表。
• 我们这⾥相⽐源码调整⼀下，key参数就⽤K，value参数就⽤V，哈希表中的数据类型，我们使⽤T。
• 其次跟map和set相⽐⽽⾔unordered_map和unordered_set的模拟实现类结构更复杂⼀点，但是⼤框架和思路是完全类似的。因为HashTable实现了泛型不知道T参数导致是K，还是pair<K, V>，那么insert内部进⾏插⼊时要⽤K对象转换成整形取模和K⽐较相等，因为pair的value不参与计算取模，且默认⽀持的是key和value⼀起⽐较相等，我们需要时的任何时候只需要⽐较K对象，所以我们在unordered_map和unordered_set层分别实现⼀个MapKeyOfT和SetKeyOfT的仿函数传给HashTable的KeyOfT，然后HashTable中通过KeyOfT仿函数取出T类型对象中的K对象，再转换成整形取模和K⽐较相等，具体细节参考如下代码实现。

// MyUnorderedSet.h
namespace bit
{
	template<class K, class Hash = HashFunc<K>>
	class unordered_set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
public:
	bool insert(const K& key)
	{
		return _ht.Insert(key);
	}
private:
	hash_bucket::HashTable<K, K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
};
}

// MyUnorderedMap.h
namespace bit
{
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_map
{
	struct MapKeyOfT
	{
		const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
		{
			return kv.first;
		}
	};
public:
	bool insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		return _ht.Insert(kv);
	}
private:
hash_bucket::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
};
}

//hashtable.h
namespace hash_bucket
{
	template<class T>
	struct HashData
	{
		T _data;
		HashData<T>* _next;

		HashData(const T& data) :
			_data(data), _next(nullptr)
		{}
	};

	template<class k, class T, class KeyOfT, class Hash>
	class HashTable;

	template<class k, class T, class Ref, class Ptr, class KeyOfT, class Hash>
	struct HashIterator
	{
		typedef HashData<T> Node;
		typedef HashTable<k, T, KeyOfT, Hash> Table;
		typedef HashIterator<k, T, Ref, Ptr, KeyOfT, Hash> Self;

		Node* _node;
		const Table* _tb;

		HashIterator( Node* node,  Table* table) :
			_node(node), _tb(table)
		{}

		Self operator++()
		{
			if (_node->_next)
			{
				_node = _node->_next;
			}
			else
			{
				Hash hs;
				KeyOfT kot;
				size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _tb->_table.size();
				hashi++;
				while (hashi < _tb->_table.size())
				{
					_node = _tb->_table[hashi];
					if (_node)
						break;
					else
						hashi++;
				}

				if (hashi == _tb->_table.size())
				{
					_node = nullptr;
				}
			}

			return *this;
		}

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

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

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

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

	};

	template<class k, class T, class KeyOfT, class Hash>
	class HashTable
	{
		typedef HashData<T> Node;
	public:

		template<class k, class T, class Ref, class Ptr, class KeyOfT, class Hash>
		friend struct HashIterator;

		typedef HashIterator<k, T, T&, T*, KeyOfT, Hash> Iterator;
		typedef HashIterator<k, T, const T&, const T*, KeyOfT, Hash> ConstIterator;

		HashTable() :
			_table(__stl_next_prime(0)),
			_n(0)
		{}

		Iterator Begin()
		{
			if (_n==_table.size())
			{
				return End();
			}

			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				if (_table[i])
					return Iterator(_table[i], this);
			}

			return End();
		}

		Iterator End()
		{
			return Iterator(nullptr, this);
		}

		ConstIterator Begin()const
		{
			if (_n == _table.size())
			{
				return End();
			}

			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				if (_table[i])
					return Iterator(_table[i], this);
			}

			return End();
		}

		ConstIterator End()const 
		{
			return Iterator(nullptr, *this);
		}

		pair<Iterator,bool> Insert(const T& data)
		{
			Hash hs;
			KeyOfT kot;
			Iterator it = Find(kot(data));
			if (it!=End())
				return { it,false };
			//不允许冗余

			if (_n / _table.size() == 1)
			{
				//扩容
				vector<Node*> tmp;
				tmp.resize(__stl_next_prime(_table.size() + 1));

				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					Node* cur = _table[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;
						size_t Hashi = hs(kot(cur->_data)) % tmp.size();
						cur->_next = tmp[Hashi];
						tmp[Hashi] = cur;
						cur = next;
					}
					_table[i] = nullptr;
				}
				swap(tmp, _table);
			}

			size_t hashi = hs(kot(data)) % _table.size();

			Node* newnode = new Node(data);
			newnode->_next = _table[hashi];
			_table[hashi] = newnode;
			_n++;
			return { Iterator(newnode,this),true };
		}

		Iterator Find(const k& key)
		{
			Hash hs;
			KeyOfT kot;
			size_t hashi = hs(key) % _table.size();
			Node* cur = _table[hashi];
			while (cur)
			{
				if (hs(key) == hs(kot(cur->_data)))
					return Iterator(cur, this);
				cur = cur->_next;

			}
			return End();
		}

		bool Erase(const k& key)
		{
			Hash hs;
			KeyOfT kot;
			size_t hashi = hs(key) % _table.size();
			Node* Prev = nullptr;
			Node* cur = _table[hashi];

			while (cur)
			{
				if (hs(kot(cur->_data)) == key)
				{
					if (Prev == nullptr)
					{
						_table[hashi] = cur->_next;
					}
					else
					{
						Prev->_next = cur->_next;
					}

					delete cur;
					--_n;
					return true;
				}
				Prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}
			return false;
		}


	private:
		vector< HashData<T>*> _table;
		size_t _n;
	};
}

2.2 ⽀持iterator的实现

iterator核⼼源代码

template <class Value, class Key, class HashFcn,
	class ExtractKey, class EqualKey, class Alloc>
	
struct __hashtable_iterator {
  typedef hashtable<Value, Key, HashFcn, ExtractKey, EqualKey, Alloc>
	hashtable;
  typedef __hashtable_iterator<Value, Key, HashFcn,
						ExtractKey, EqualKey, Alloc>
			iterator;
  typedef __hashtable_const_iterator<Value, Key, HashFcn,
							ExtractKey, EqualKey, Alloc>
			const_iterator;
  typedef __hashtable_node<Value> node;
  typedef forward_iterator_tag iterator_category;
  typedef Value value_type;
  
node* cur;
hashtable* ht;

__hashtable_iterator(node* n, hashtable* tab) : cur(n), ht(tab) {}
__hashtable_iterator() {}
reference operator*() const { return cur->val; }
#ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR
pointer operator->() const { return &(operator*()); }
#endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */
iterator& operator++();
iterator operator++(int);
bool operator==(const iterator& it) const { return cur == it.cur; }
bool operator!=(const iterator& it) const { return cur != it.cur; }
};


template <class V, class K, class HF, class ExK, class EqK, class A>
__hashtable_iterator<V, K, HF, ExK, EqK, A>&
__hashtable_iterator<V, K, HF, ExK, EqK, A>::operator++()
{
	const node* old = cur;
	cur = cur->next;
	if (!cur) {
		size_type bucket = ht->bkt_num(old->val);
		while (!cur && ++bucket < ht->buckets.size())
		cur = ht->buckets[bucket];
			}
	return *this;
}

iterator实现思路分析
• iterator实现的⼤框架跟list的iterator思路是⼀致的，⽤⼀个类型封装结点的指针，再通过重载运算符实现，迭代器像指针⼀样访问的⾏为，要注意的是哈希表的迭代器是单向迭代器。
• 这⾥的难点是operator++的实现。iterator中有⼀个指向结点的指针，如果当前桶下⾯还有结点，则结点的指针指向下⼀个结点即可。如果当前桶⾛完了，则需要想办法计算找到下⼀个桶。这⾥的难点是反⽽是结构设计的问题，参考上⾯的源码，我们可以看到iterator中除了有结点的指针，还有哈希表对象的指针，这样当前桶⾛完了，要计算下⼀个桶就相对容易多了，⽤key值计算出当前桶位置，依次往后找下⼀个不为空的桶即可。
• begin()返回第⼀个桶中第⼀个节点指针构造的迭代器，这⾥end()返回迭代器可以⽤空表⽰。
• unordered_set的iterator也不⽀持修改，我们把unordered_set的第⼆个模板参数改成const K即
可， HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
• unordered_map的iterator不⽀持修改key但是可以修改value，我们把unordered_map的第⼆个
模板参数pair的第⼀个参数改成const K即可， HashTable<K, pair<const K, V>,
MapKeyOfT, Hash> _ht;

2.3 map⽀持[]

• unordered_map要⽀持[]主要需要修改insert返回值⽀持，修改HashTable中的insert返回值为
pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)

2.4 TSY::unordered_map和TSY::unordered_set代码实现

unordered_map

#include"HashTable.h"

namespace TSY
{
	template<class k, class T, class Hash = HashFunc<k>>
	class unordered_map
	{
		struct KeyOfMap
		{
			const k& operator()(const pair<k,T>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};

	public:
		typedef typename hash_bucket::HashTable<k, pair<k, T>, KeyOfMap, Hash> ::Iterator iterator;
		typedef typename hash_bucket::HashTable<k, pair<k, T>, KeyOfMap, Hash>::Iterator const_iterator;

		pair<iterator, bool> insert(const pair<k, T>& kv)
		{
			return _h.Insert(kv);
		}

		iterator begin()
		{
			return _h.Begin();
		}

		iterator end()
		{
			return _h.End();
		}

		const_iterator begin()const
		{
			return _h.Begin();
		}

		const_iterator end()const
		{
			return _h.End();
		}

		T& operator[](const k& key)
		{
			pair<iterator, bool > ret = insert({key,T()});

			return ret.first->second;
		}
	private:
		hash_bucket::HashTable<k, pair<k, T>, KeyOfMap, Hash> _h;
	};
}

unordered_set

#include"HashTable.h"

namespace TSY
{
	template<class k, class Hash = HashFunc<k>>
	class unordered_set
	{
		struct KeyOfSet
		{
			const k& operator()(const k& key)
			{
				return key;
			}
		};

	public:
		typedef typename hash_bucket::HashTable<k, k, KeyOfSet, Hash>::Iterator iterator;
		typedef typename hash_bucket::HashTable<k, k, KeyOfSet, Hash>::Iterator const_iterator;

		void insert(const k& key)
		{
			_h.Insert(key);
		}

		iterator begin()
		{
			return _h.Begin();
		}

		iterator end()
		{
			return _h.End();
		}

		const_iterator begin()const
		{
			return _h.Begin();
		}

		const_iterator end()const
		{
			return _h.End();
		}

	private:
		hash_bucket::HashTable<k, k, KeyOfSet, Hash> _h;
	};
}

test.cpp

#include"HashTable.h"
#include"unordered_map.h"
#include"unordered_set.h"

void test1()
{
	TSY::unordered_map<string, int> Map;
	Map.insert({ "apple",1 });
	Map.insert({ "banana",1 });
	Map.insert({ "penapple",1 });
	Map.insert({ "bucket",1 });

	/*for (auto& e : Map)
	{
		cout << e.first << " " << e.second << endl;
	}*/

	Map["apple"] = { 4 };

	Map["tsy"] = { 20 };
	for (auto& e : Map)
	{
		cout << e.first << " " << e.second << endl;
	}
}

void test2()
{
	TSY::unordered_set<string> set;
	set.insert("apple");
	set.insert("wanxi");
	set.insert("songxueyu");
	set.insert("maishuiguo");

	for (auto& e : set)
	{
		cout << e << " " << endl;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	test1();
	return 0;
}

http://www.kler.cn/a/371666.html

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