C++进阶--mep和set的模拟实现

news2024/11/16 16:43:35

红黑树链接入口

底层容器

模拟实现set和map时常用的底层容器是红黑树。
红黑树是一种自平衡的搜索二叉树，通过对节点进行颜色标记来保持平衡。

在模拟实现set和map时，可以使用红黑树来按照元素的大小自动排序，并且保持插入和删除操作的高效性。set的每个节点只存储一个键值，不需要额外的值；而map每个节点存储的是一个键值对，值与键保持关联。通过红黑树的特性，可以根据快速查找，插入和删除对应的节点元素；

红黑树的改造

#pragma once
#include<vector>
enum Colour
{
	RED,
	BLACK
};

template<class T>
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode<T>* _left;
	RBTreeNode<T>* _right;
	RBTreeNode<T>* _parent;
	Colour _col;
	T _data;

	RBTreeNode(const T& data)
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _data(data)
		, _col(RED)
	{
	}

};


//红黑树的迭代器
  template<class T,class Ptr,class Ref>
  struct RBTreeIterator
  {
	  typedef RBTreeNode<T> Node;
	  typedef RBTreeIterator<T,Ptr,Ref> Self;

	  Node* _node;

	  RBTreeIterator(Node* node)
		  :_node(node)
	  {}

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

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

	  Self& operator++()
	  {
		  if (_node->_right)
		  {
			  Node* subLeft = _node->_right;
			  while (subLeft->_left)
			  {
				  subLeft = subLeft->_left;
			  }
			  _node = subLeft;
		  }
		  else
		  {
			  Node* cur = _node;
			  Node* parent = cur->_parent;
			  while (parent&&cur==parent->_right)
			  {
				  cur = parent;
				  parent = parent->_parent;
			  }
			  _node = parent;
			  
		  }
		  return *this;
	  }

	  Self& operator--()
	  {
		  if (_node->_left)
		  {
			  Node* subRight = _node->_left;
			  while (subRight->_right)
			  {
				  subRight = subRight->_right;
			  }
			  _node = subRight;
		  }
		  else
		  {
			  Node* cur = _node;
			  Node* parent = cur->_parent;
			  while (parent && cur == parent->_left)
			  {
				  cur = parent;
				  parent = parent->_parent;
			  }
			  _node = parent;
		  }
		  return *this;
	  }

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

	  bool operator == (const Self & s)
	  {
		  return _node == s._node;
	  }
  };
//set->RBTree<K,K,SetOfT>
//map->RBTree<K,pair<K,V>,MapKeyOfT>
template<class K,class T,class KeyOfT>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
public:
	typedef RBTreeIterator<T,T*,T&> iterator;
	typedef RBTreeIterator<T, const T*, const T&> const_iterator;
	
	const_iterator begin() const
	{
		Node* subLeft = _root;
		while (subLeft && subLeft->_left)
		{
			subLeft = subLeft->_left;
		}
		return const_iterator(subLeft);
	}
	
	iterator begin()
	{
		Node* subLeft = _root;
		while (subLeft && subLeft->_left)
		{
			subLeft = subLeft->_left;
		}
		return iterator(subLeft);
	}

	const_iterator end() const
	{
		return const_iterator(nullptr);
	}

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

	iterator Find(const K& key)
	{
		KeyOfT kot;
		Node* cur = _root;
		//通过比较确定key节点的位置
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) < key)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			else if (kot(cur->_data) > key)
			{
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return iterator(cur);
			}
		}
		//找不到返回最后的end
		return end();
	}

	pair<iterator,bool> Insert(const T& data)
	{
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			return make_pair(iterator(_root),true);
		}

		//确定插入位置
		KeyOfT kot;
		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) < kot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else if (kot(cur->_data) > kot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return make_pair(iterator(cur), false);
			}
		}

		//确定cur节点和p节点的位置关系
		cur = new Node(data);
		//要记住当前节点的位置
		Node* newnode = cur;
		if (kot(parent->_data )< kot(data))
		{
			parent->_right = cur;
		}
		else
		{
			parent->_left = cur;
		}
		cur->_parent = parent;

		while (parent && parent->_col == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			if (parent == grandfather->_left)
			{
				Node* uncle = grandfather->_right;
				//情况一
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					//向上处理
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else//情况2
				{
					if (cur == parent->_left)
					{
						//      g
						//    p    u
						//  c
						RotateR(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					else
					{
						//      g
						//    p    u
						//      c
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfather);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;//旋转完的子树的根节点必为黑，这时就不用向上调整处理了

				}
			}
			else
			{
				Node* uncle = grandfather->_left;
				// 情况一：叔叔存在且为红
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					// 变色
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					// 继续往上处理
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else//情况2
				{
					if (cur == parent->_right)
					{
						//      g
						//    u    p
						//           c
						RotateL(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					else
					{
						//      g
						//    u    p
						//        c
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;//旋转完的子树的根节点必为黑，这时就不用向上调整处理了

				}
			}
		}

		_root->_col = BLACK;
		return make_pair(iterator(newnode), true);

	}

	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

		parent->_right = subRL;
		if (subRL)
			subRL->_parent = parent;

		subR->_left = parent;
		Node* ppnode = parent->_parent;
		parent->_parent = subR;

		if (parent == _root)
		{
			_root = subR;
			subR->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = subR;
			}
			else
			{
				ppnode->_right = subR;
			}
			subR->_parent = ppnode;
		}
	}

	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;

		parent->_left = subLR;
		if (subLR)
			subLR->_parent = parent;

		subL->_right = parent;

		Node* ppnode = parent->_parent;
		parent->_parent = subL;

		if (parent == _root)
		{
			_root = subL;
			subL->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = subL;
			}
			else
			{
				ppnode->_right = subL;
			}
			subL->_parent = ppnode;
		}
	}


private:
	Node* _root = nullptr;
};

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红黑树的迭代器

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map和set的模拟实现

Mymap.h

namespace fnc
{
	template<class K,class V>
	class map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator;
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::const_iterator const_iterator;
		iterator begin()
		{
			return _t.begin();
		}

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

		const_iterator begin() const
		{
			return _t.begin();
		}

		const_iterator end() const 
		{
			return _t.end();
		}

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

		V& operator[](const K& key)
		{
			pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
			return ret.first->second;
		}

		iterator find(const K& key)
		{
			return _t.Find(key);
		}
	private:
		RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
	};
}

Myset.h

namespace fnc
{
	template<class K>
	class set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};

	public:
		typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::iterator iterator;
		typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;

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

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

		pair<iterator,bool> insert(const K& key)
		{
			return _t.Insert(key);
		}

	private:
		RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
	};
}

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测试

void test_map1()
	{
		map<int, int> m;
		int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
		for (auto e : a)
		{
			m.insert(make_pair(e,e));
		}

		map<int, int>::iterator it = m.begin();
		while (it != m.end())
		{
			it->second += 100;
			cout << it->first << "," << it->second << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

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void test_set1()
	{
		set<int> s;
		int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
		for (auto e : a)
		{
			s.insert(e);
		}

		set<int>::iterator it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

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operator[]

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void test_map2()
	{
		string arr[] = { "西瓜","草莓","香蕉","苹果","西瓜","草莓","香蕉" ,"西瓜","草莓","西瓜" };
		map<string, int> countmap;

		for (auto& e : arr)
		{
			countmap[e]++;
		}
		for (auto& kv : countmap)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << " ";
		}
		cout << endl;
	}

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完善

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验证

void test_map3()
	{
		 map<int, int> m;
		int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
		for (auto e : a)
		{
			m.insert(make_pair(e, e));
		}

		const map<int, int> m1 = m;
		map<int, int>::const_iterator it = m1.begin();
		while (it != m1.end())
		{
			cout << it->first << "," << it->second << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;

		map<int, int>::iterator it2 = m.find(15);
		--it2;
		cout << it2->first << "," << it2->second << endl;
	}

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