C++笔记：Hash Function 散列函数

news2024/12/29 10:21:22

1. Hash Function 散列函数

  • 简单的Hash实现：
class CustomerHash {
public:
    size_t operator()(const Customer& c) const {
        return hash<std::string>()(c.fname) +  // first name
               hash<std::string>()(c.lname) +  // last name
               hash<long>()(c.no);
        // 返回hash_code
    }
};

  • 针对Customer类对象，直接对其各个成员变量分别调用标准库中的hash函数，并将得到的哈希值相加。

  • 虽然简单，但这种实现方式可能会导致哈希冲突（即不同对象可能产生相同的哈希值）。

  • 改进的Hash实现：

class CustomerHash {
public:
		size_t operator()(const Customer& c) const {
				return hash_val(c.frame, c.lname, c.no);
		}
};

template <typename... Type>
inline size_t hash_val(const Type&... args){
		size_t seed = 0;
		hash_val(seed, args...);
		return seed;  //seed最终就被视为hash code
}
  • 顶层主函数：初始化 seed 为0，调用 hash_val递归处理所有参数，并返回最终的哈希值。
template <typename T, typename... Types>
inline void hash_val(size_t& seed, const T& val, const Type&... args){
		hash_combine(seed, val);
		hash_val(seed, args);
};
  • 这是一个递归函数模板，它处理一个或多个参数：
    • 首先，调用 hash_combine函数处理当前参数 val并更新 seed。
    • 然后，递归调用自身处理剩余的参数。
template <typename T>
inline void hash_val(size_t& seed, const T& val){
		hash_combine(seed, val);
}
  • 这是上面递归函数的终止版本，当没有更多参数时，只处理最后一个参数。
#include<functional>
template <typename T>
inline void hash_combine(size_t& seed, const T& val){
		seed ^= hash<T>()(val) + 0x9e3779b9 + (seed<<6) + (seed<<2);
}

  • 结合当前的哈希值和传入的值来更新seed，使用了一些常见的哈希组合技巧（例如魔数0x9e3779b9），以减少冲突。

  • 以struct hash 偏特化的形式实现Hash function

    • 在 std 命名空间中特化 hash 结构体以支持 MyString 类型
namespace std {
    template<>
    struct hash<MyString> {
        size_t operator()(const MyString& s) const noexcept {
            return hash<string>()(s.get());
        }
    };
}

2. tuple

  • 构造方式：
// 构造方式1
tuple<int, float, string> t1(41, 6.3, "nico");
cout << "t1: " << get<0>(t1) << " " 
		<< get<1>(t1) << " " << get<2>(t1) << endl;
		
// 构造方式2
auto t2 = make_tuple(22, 44, "stacy");

// 构造方式3
tuple<int,float,string> t3(77, 1.1, "more light");
int i1;
float f1;
stting s1;
tie(i1, f1, s1) = t3;
  • 用例：
tuple<int, float, string> t(41, 6.3, "nico"); // 调用了构造函数
t.head() // 调用了head()函数，返回 41
t.tail() // 调用了tail()函数，返回 tuple<float, string>
t.tail().head() // 调用了tail()然后是head()函数，返回 6.3
t.tail().tail().head() // 调用了两次tail()然后是head()函数，返回 "nico"
&(t.tail()) // 调用了tail()函数，返回 tuple<float, string> 的引用
  • 源码：
// 这是一个变长模板声明，表示tuple类可以接受任意数量和类型的模板参数
template<typename... Values> class tuple;
template<> class tuple<> {};

template<typename Head, typename... Tail>
class tuple<Head, Tail...> : public tuple<Tail...>
{
		typedef tuple<Tail...> inherited;
public:
		tuple() {};
		tuple(Head v, Tail... vtail) : m_head(v), inheriter(vtail...) {}
		
		typename Head::type head() { return m_head;}
		inherited& tail { return *this;}
protected:
		Head m_head;
};
  • tuple<Head, Tail...>递归地继承了tuple<Tail...>，即剩下的参数组成的元组。
    • tuple<int, float, string> : private tuple<float, string>
    • tuple<float, string> : private tuple<string>
    • tuple<string>
  • 在t.tail()中，调用tail()函数，tail()返回*this。此时，*this指向的对象类型是tuple<int, float, string>，但通过类型转换返回为inherited&，即tuple<float, string>&。
  • t.tail() 会返回一个 tuple<float, string>
  • &(t.tail()) 会返回一个tuple<float, string>的引用

3. type traits

 

应用：

template <typename T>
void type_traits_output(const T&x)
{
		cout << "\\n type traits for type:" << typeid(T).name() << endl;
		
		cout << "is_void\\t" << is_void<T>::value << endl; // 0 or 1
		cout << "is_integral\\t" << is_integral<T>::value << endl; // 0 or 1
		...
}

int i = 0;
double d = 0.0;
type_traits_output(i);
type_traits_output(d);

4. type traits中is_void的实现

为什么判断void时需要移除volatile和const限定符？

假设你有一个类型是const void或volatile void，这些类型本质上还是void类型，只是加了限定符。如果不去除这些限定符，直接判断类型是否为void，判断结果将会是错误的，因为const void和void在严格意义上是不同的类型。

通过移除这些限定符，可以确保我们判断的基础类型是void，而不是const void或volatile void。这确保了类型特性模板的准确性和一致性。

  • 移除volatile限定符：
// 如果类型不带volatile限定符，通用模板直接定义type为原始类型_Tp
template<typename _Tp>
struct remove_volatile {
    typedef _Tp type;
};

// 如果类型带有volatile限定符，特化模板定义会去掉volatile限定符
template<typename _Tp>
struct remove_volatile<_Tp volatile> {
    typedef _Tp type;
};
  • 移除const限定符：
template<typename _Tp>
struct remove_const {
    typedef _Tp type;
};

template<typename _Tp>
struct remove_const<_Tp const> {
    typedef _Tp type;
};
  • 移除const和volatile限定符：
template<typename _Tp>
struct remove_cv {
    typedef typename remove_const<typename remove_volatile<_Tp>::type>::type type;
};
  • 判断是否为void 类型：
template<typename>
struct __is_void_helper : public false_type {};

template<>
struct __is_void_helper<void> : public true_type {};
  • 最终的is_void实现：
template<typename _Tp>
struct is_void : public __is_void_helper<typename remove_cv<_Tp>::type> {};

5. cout 标准输出流

  • ostream类是标准C++库中的输出流类，定义在<ostream>头文件中。这个类提供了多种运算符重载，以便将不同类型的数据输出到流中。
ostream& operator<<(char c) {
    // 输出一个字符
    return *this;
}

ostream& operator<<(unsigned char c) {
    // 输出一个无符号字符
    return *this << static_cast<char>(c);
}

ostream& operator<<(signed char c) {
    // 输出一个有符号字符
    return *this << static_cast<char>(c);
}

ostream& operator<<(const char* s) {
    // 输出一个C风格字符串
    return *this;
}

ostream& operator<<(const unsigned char* s) {
    // 输出一个无符号字符指针，转换为C风格字符串
    return *this << reinterpret_cast<const char*>(s);
}

ostream& operator<<(const signed char* s) {
    // 输出一个有符号字符指针，转换为C风格字符串
    return *this << reinterpret_cast<const char*>(s);
}

ostream& operator<<(const void* p) {
    // 输出一个指针
    return *this;
}

ostream& operator<<(int n) {
    // 输出一个整数
    return *this;
}

ostream& operator<<(unsigned int n) {
    // 输出一个无符号整数
    return *this;
}

ostream& operator<<(long n) {
    // 输出一个长整数
    return *this;
}

ostream& operator<<(unsigned long n) {
    // 输出一个无符号长整数
    return *this;
}
  • cout是一个全局的_IO_ostream_withassign对象，表示标准输出流。其继承自ostream，并提供赋值运算符的重载。
class _IO_ostream_withassign : public ostream {
public:
    _IO_ostream_withassign& operator=(ostream& os) {
        // 实现赋值操作
        // 允许将一个ostream对象赋值给_IO_ostream_withassign对象
        return *this;
    }

    _IO_ostream_withassign& operator=(_IO_ostream_withassign& rhs) {
        // 实现赋值操作
        return operator=(static_cast<ostream&>(rhs));
    }
};

extern _IO_ostream_withassign cout;

6.moveable元素对于vector速度效能的影响

  • 深拷贝：创建一个新对象，并复制所有的原始对象的数据，包括指向动态分配内存的指针。深拷贝确保新对象和原始对象独立，修改一个不会影响另一个。

    // 拷贝构造函数
MyString(const MyString& other) {
    len = other.len;
    data = new char[len + 1];  // 为新对象开辟内存
    strcpy(data, other.data);  // 将原对象的数据复制到新对象
}

// 拷贝赋值运算符
MyString& operator=(const MyString& str) {
    if (this != &str) {
        if (_data) delete[] _data;
        _len = str._len;
        _init_data(str._data);  // 复制数据
    }
    return *this;
}

  • 浅拷贝：只复制对象的成员变量的值，包括指针的值。这意味着复制后的对象和原始对象共享同一块动态分配的内存。这可能会造成一个对象销毁时释放了共享的内存时，导致另一个对象访问无效内存。

    MyString(const Mystring& other) {
		len = other.len;
		data = other.data;
}

  • 移动语义（Move Semantics）：通过转移指针操作将资源从一个对象转移到另一个对象，避免深拷贝。通过移动构造函数和移动赋值运算符实现。

    #include <utility>
class  MyString {
public:
		// 移动构造函数
		// data = other.data; 新对象直接使用原对象的指针。
		MyString(MyString&& other) noexcept: data(other.data), len(other.len) {
				other.data = nullptr; // 将原对象的指针设置为nullptr，防止原对象析构时释放内存
        other.len = 0;
    }
    
    // 移动赋值运算符
    MyString& operator=(MyString&& other) noexcept {
        if (this == &other) return *this;
        delete[] data;
        data = other.data;
        len = other.len;
        other.data = nullptr;
        other.len = 0;
        return *this;
    }
    
    // 析构函数
    ~MyString() {
    ++Dtor;
    if (_data) delete[] _data;
		}
		
    // 禁用拷贝构造函数和拷贝赋值运算符
    MyString(const MyString& other) = delete;
    MyString& operator=(const MyString& other) = delete;

  • 具体示例

    int main() {
		Mystring str1("Hello, world!");
		// 调用拷贝构造函数
		Mystring str2 = str1;
		cout << str2 << endl;  // "Hello, world!"
		
		// 调用移动构造函数
		Mystring str3 = move(str1);
		cout << str3 << endl;  // "Hello, world!"
		cout << str1 << endl;  // 空，因为str1的资源已经转移

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