STL库 —— unordered_set与unordered_map的封装

news2024/10/5 20:20:18

这里要对 unordered_set 与 unordered_map 进行封装，封装时使用的是上一篇中学的 HashBucket 。不仅要完成封装，同时要写入迭代器。

一、HashBucket 的修改

1.1 节点的修改 T

首先来认识一下使用 unordered_set 和 ordered_map 时的区别：

unordered_set 存储唯一的键值。你只需要传入要插入的值。

#include <unordered_set>
#include <iostream>

int main() {
    std::unordered_set<int> mySet;
    mySet.insert(10);
    mySet.insert(20);
    
    for (const auto& elem : mySet) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    return 0;
}

unordered_map 存储键值对。你需要传入键和值。 

#include <unordered_map>
#include <iostream>

int main() {
    std::unordered_map<int, std::string> myMap;
    myMap.insert({1, "one"});
    myMap.insert({2, "two"});
    
    for (const auto& pair : myMap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << " ";
    }
    return 0;
}

因为 unordered_set 只存储值，而 unordered_map 存储键值对并提供键到值的映射，所以当它们底层使用同一容器进行封装时，要求该容器可以兼容这两种数据类型。

template<class T>//
struct HashNode
{
	T _data;//
	HashNode* _next;
	HashNode(const T& data) :_data(data), _next(nullptr)//
	{}
};

节点模板的修改是为了满足两者的需要，满足双方的供求。

1.2 类的修改 KeyOfT

因为 unordered_map 传入的是键值对，但是并不知道键值对的键值是什么，所以在定义类模板时，会多传入一个参数 KeyOfT ，作为键值。但肯定有很多人会疑惑，传入的本身就是键值对了，  pair<K, V> 中的 K 不就是键值对的键值吗？这么做不是多此一举吗？

事实上，传入 KeyOfT 而不是直接使用键 Key 的主要原因是为了提高代码的灵活性和通用性，尤其是在存储复杂对象时。以下是一个具体的例子来说明这种情况：

示例场景

假设我们有一个存储复杂对象的哈希表，这些对象有多个属性，其中一个属性作为键。

struct Employee 
{
    int employee_id;
    std::string name;
    std::string department;

    Employee(int id, const std::string& n, const std::string& d) 
        : employee_id(id), name(n), department(d) {}
};
KeyOfT 提取键的机制

我们需要一种机制来从 Employee 对象中提取 employee_id 作为键。为此，我们定义一个 KeyOfEmployee 函数对象。

struct KeyOfEmployee
{
    int operator()(const Employee& emp) const
    {
        return emp.employee_id;
    }
};
键值对
  • 键：employee_id（例如，1）
  • 值：Employee 对象（例如，Employee(1, "Alice", "HR")）
传入示例
bool Insert(const T& obj)
{
    K key = KeyOfT()(obj);
    size_t index = Hash()(key) % _bucket.size();
    _bucket[index] = new T(obj);
    return true;
}
HashBucket<int, Employee, KeyOfEmployee, HashFunc> hb;
hb.Insert(Employee(1, "Alice", "HR"));
hb.Insert(Employee(2, "Bob", "IT"));

由上面的案例就不难看出，传入的对象不一定是键值对，有可能是自定义的类对象，此时就只需要添加 KeyOfT 的模板，就可以在类内部找到键值。

类模板添加KeyOfT

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash = Hashfunc<K>>
class HashBucket
{
private:
	vector<Node*> _bucket;
	size_t _n;
};

于 unordered_set 来说，KeyOfT 的方式有些多此一举。unordered_set 本质上是一个存储唯一元素的集合，没有键值对的概念。所以这里的修改是为了将就 unordered_map 。

    //unordered_set
    template<class K>
	class unordered_set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& Key)
			{
				return Key;
			}
		};
	public:
	private:
		HashBucket<K, K, SetKeyOfT> _ht;//注意传参要对应HashBucket
	};

    //unordered_map
    template<class K, class V>
    class unordered_map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
	private:
		HashBucket<K, pair<K, V>, MapKeyOfT> _ht;//注意传参要对应HashBucket
	};

1.3 类的修改 HashFunc

下面先来看一下这三个类与其对应的类模板：

template<class K>
class unordered_set	
{
private:
	HashBucket<K, K, SetKeyOfT> _ht;

};
    
template<class K, class V>
class unordered_map
{
private:
    HashBucket<K, pair<K, V>, MapKeyOfT> _ht;
};

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash = HashFunc<K>>
class HashBucket
{};

 在使用时，用户是直接使用 unordered_set 与 unordered_map ，所以应该希望在 unordered_set 与 unordered_map 层有一个默认的 HashFunc ，这样用户不仅可以自定义，也可以使用默认的 HashFunc ，提高了代码的灵活性，而在 HashBucket 层，只需要按照上层的指令来即可，所以就需要把默认的 HashFunc 提前到上层。

template<class K, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_set
{
private:
    HashBucket<K, K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
};

template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_map
{
private:
    HashBucket<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
};

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashBucket;
{};

二、迭代器

2.1 定义迭代器成员

首先，迭代器要知道自己的位置，这就需要定义一个节点指针，另外，当在哈希桶中使用自增直到遍历完 vector 的某一节点时，因为迭代器另一个单独的类，所以需要让迭代器直到自己所处的哈希桶的结构，才好寻找下一个存在值的节点，这就需要定义一个哈希桶的指针。

这样不仅得到了迭代器的成员，也得到了迭代器的构造函数。 

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
struct __HtIterator
{
	typedef HashNode<T> Node;
	Node* _node;
	HashBucket<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht;

	__HtIterator(Node* node, HashBucket<K, T, KeyOfT, Hash>* pht)
		:_node(node), _pht(pht)
	{}
};

问题1：

因为迭代器中存在了哈希桶的指针来指向哈希桶，那么当遍历哈希桶的数组时，不可避免地会使用到哈希桶的 _bucket ，但是这又是个私有成员，如何解决呢？

可以使用友元来帮助解决（省略不必要的部分）：

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashBucket
{
public:
	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
	friend struct __HtIterator;//友元
};

问题2：

在迭代器中，存在了哈希桶；在哈希桶中，又用到了迭代器。那么又有一个问题，编译器访问某一个的时候，必然会访问不到另一个，这是代码顺序的问题，这个问题怎么解决呢？和函数声明类似，可以在迭代器前加上哈希桶的类声明：

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>//类声明
class HashBucket;

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
struct __HtIterator
{};

2.2 begin 与 end 函数

2.2.1 begin 函数

如下图， begin 返回的是哈希桶第一个存值的迭代器，所以只需要挨个遍历即可，但是返回节点的地址容易，那么哈希桶的地址怎么办呢？这可是在哈希桶类中返回自己的地址，应该怎么办？

return iterator(cur, this);

其实答案很久之前就已经学过了，this指针代表的不就是本身吗？

若没有找到，可以直接返回 end ，下面只需要对 end 继续做优化即可。

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashBucket
{
    typedef HashNode<T> Node;
public:
    typedef __HtIterator<K, T, KeyOfT, Hash> iterator;
    iterator begin()
    {
        for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
        {
            Node* cur = _bucket[i];
            if (cur)
            {
                return iterator(cur, this);
            }
        }
        return end();
    }
private:
    vector<Node*> _bucket;
	size_t _n;
};

2.2.2 end 函数

end 返回的是最后一个存值的节点的下一个位置，所以直接可以使用空指针来构造：

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

2.3 operator重载

2.3.1 自增的重载

这里有两种情况：

1.当前桶还为遍历完，那么迭代器可以直接指向当前节点的下一个。

2.当前桶已经遍历完，那么就需要遍历整个 vector ，直到找到下一个不为空的桶。

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
struct __HtIterator
{
	typedef HashNode<T> Node;
	typedef __HtIterator<K, T, KeyOfT, Hash> Self;

	Node* _node;
	HashBucket<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht;

	__HtIterator(Node* node, HashBucket<K, T, KeyOfT, Hash>* pht)
		:_node(node), _pht(pht)
	{}

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_next)
		{
			//当前桶未遍历完，取桶的下一个节点
			_node = _node->_next;
		}
		else
		{
			//当前桶已遍历完，找下一个不为空的桶
			KeyOfT kot;
			Hash hs;
			size_t i = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_bucket.size();
			++i;
			for (; i < _pht->_bucket.size(); i++)
			{
				if (_pht->_bucket[i])
					break;
			}
			if (i == _pht->_bucket.size()) _node = nullptr;//没找到下一个不为空的桶
			else _node = _pht->_bucket[i];//找到了下一个不为空的桶
		}
		return *this;
	}
};

2.3.2 解引用和不等于的重载

这两个比较简单，就直接放在一起上代码了：

    T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	bool operator!=(const Self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}

2.4 完整代码

下面就可以来测试一下迭代器了，测试之前先看一下完整的代码：

2.4.1 完整的迭代器

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>//
class HashBucket;

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
struct __HtIterator
{
	typedef HashNode<T> Node;
	typedef __HtIterator<K, T, KeyOfT, Hash> Self;

	Node* _node;
	HashBucket<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht;

	__HtIterator(Node* node, HashBucket<K, T, KeyOfT, Hash>* pht)
		:_node(node), _pht(pht)
	{}

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_next)
		{
			//当前桶未遍历完，取桶的下一个节点
			_node = _node->_next;
		}
		else
		{
			//当前桶已遍历完，找下一个不为空的桶
			KeyOfT kot;
			Hash hs;
			size_t i = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_bucket.size();
			++i;
			for (; i < _pht->_bucket.size(); i++)
			{
				if (_pht->_bucket[i])
					break;
			}
			if (i == _pht->_bucket.size()) _node = nullptr;//没找到下一个不为空的桶
			else _node = _pht->_bucket[i];//找到了下一个不为空的桶
		}
		return *this;
	}
	T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	bool operator!=(const Self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}
};

2.4.2 完整的HashBucket

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>//
class HashBucket
{
	typedef HashNode<T> Node;//
public:
	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
	friend struct __HtIterator;
	 
	typedef __HtIterator<K, T, KeyOfT, Hash> iterator;
	iterator begin()
	{
		for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
		{
			Node* cur = _bucket[i];
			if (cur)
			{
				return iterator(cur, this);
			}
		}
		return end();
	}
	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr, this);
	}
	HashBucket()
	{
		_bucket.resize(10, nullptr);
		_n = 0;
	}
	~HashBucket()
	{
		for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
		{
			Node* cur = _bucket[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}
			_bucket[i] = nullptr;
		}
	}
	bool Insert(const T& data)
	{
		KeyOfT kot;

		if (Find(kot(data))) return false;//Find(kv.first)->Find(kot(data))
		Hash hs;
		if (_n == _bucket.size())
		{
			vector<Node*> newBucket(_bucket.size() * 2, nullptr);
			for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
			{
				Node* cur = _bucket[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;

					size_t index = hs(kot(cur->_data)) % newBucket.size();//
					cur->_next = newBucket[index];
					newBucket[index] = cur;

					cur = next;
				}
				_bucket[i] = nullptr;
			}
			_bucket.swap(newBucket);
		}
		size_t index = hs(kot(data)) % _bucket.size();
		Node* newnode = new Node(data);
		newnode->_next = _bucket[index];
		_bucket[index] = newnode;
		++_n;
		return true;
	}
	bool Erase(const K& Key)
	{
		KeyOfT kot;
		Hash hs;
		size_t index = hs(kot(Key)) % _bucket.size();
		Node* cur = _bucket[index];
		Node* prev = nullptr;
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) == Key)
			{
				//删除的是第一个节点
				if (prev == nullptr)
				{
					_bucket[index] = cur->_next;
				}
				else
				{
					prev->_next = cur->_next;
				}
				delete cur;
				return true;
			}
			else
			{
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}
		}
		return false;
	}
	Node* Find(const K& Key)
	{
		KeyOfT kot;
		if (_bucket.empty()) return nullptr;
		Hash hs;
		size_t index = hs(Key) % _bucket.size();
		Node* cur = _bucket[index];
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) == Key)/**/
				return cur;
			else cur = cur->_next;
		}
		return nullptr;
	}
	
private:
	vector<Node*> _bucket;
	size_t _n;
};

三、迭代器的测试

3.1 重命名

迭代器的测试其实就是在 unordered_set 与 ordered_map 中复用 HashBucket 的函数，在两个类中对迭代器进行重命名，注意一定不要错了！

//unordered_set中
typedef typename HashBucket<K, K, SetKeyOfT, Hash>::iterator iterator;
//unordered_map中
typedef typename HashBucket<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash>::iterator iterator;

此外，说明一下 typename 在这里的作用：明确指出某个标识符是一个类型，从而避免编译器将其解释为非类型名称。而且，迭代器的重命名要定义在 public 域中。

3.2 unordered_set

    template<class K, class Hash = HashFunc<K>>
	class unordered_set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& Key)
			{
				return Key;
			}
		};
	public:
		typedef typename HashBucket<K, 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:
		HashBucket<K, K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
	};
	void Test_unordered_set()
	{
		unordered_set<int> s;
		s.insert(31);
		s.insert(23);
		s.insert(19);
		s.insert(6);
		s.insert(22);
		s.insert(37);
		for (auto e : s)
		{
			cout << e << endl;
		}
	}

3.3 unordered_map

	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:
		typedef typename HashBucket<K, pair<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:
		HashBucket<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
	};
	void Test_unordered_map()
	{
		unordered_map<int, int> m;
		m.insert(make_pair(31, 31));
		m.insert(make_pair(23, 23));
		m.insert(make_pair(19, 19));
		m.insert(make_pair(6, 6));
		m.insert(make_pair(22, 22));
		m.insert(make_pair(37, 37));
		for (auto e : m)
		{
			cout << e.first << ":" << e.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}

在 main 函数中进行测试时，可以看到两者都可以跑起来：

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