C语言实现Hash Map(3)：Map代码优化

news2024/12/27 11:49:12

在上一节中，我们学习了C语言实现Hash Map(2)：Map代码实现详解，通过代码，我们更深入地了解了Map实现的原理，学习了如何通过key找到对应的桶并加入节点。也正如上一节提到的，虽然这是github中star比较多的代码，但是程序还可以进一步地优化：

  • 程序桶的数量是在每次添加节点的时候自动调节的，即使用realloc函数重新分配
    • 可以固定一下默认的桶的大小，而不是每次都从0开始网上分配
    • 假设使用FreeRTOS，并没有realloc函数，所以将其改为动态分配和释放
  • 程序仅支持值为char *类型的映射，且值的数据是拷贝的
    • 支持不同数据类型的键
    • 支持拷贝值和保存值的指针两种方式

文章目录

  • 1 桶的默认大小
  • 2 桶的内存分配
  • 3 支持不同的数据类型
    • 3.1 数据结构修改
    • 3.2 map_init
    • 3.3 map_set
    • 3.4 map_get
  • 4 测试
  • 5 总结

1 桶的默认大小

首先来解决桶内存的问题。由上一节我们知道，在每次增加节点的时候，若当前节点的数量大于等于桶的数量，则会使用realloc重新分配桶内存。但这样的话，最开始从0开始，随着节点的增加，分配1、 2、 4、 8个桶，未免有点太麻烦了，也可能会产生一些内存碎片。所以我们希望在初始化的时候，就初始化固定的桶。

所以解决办法很简单，我们直接在初始化函数中传入一个默认的桶数量的参数，然后调用map_resize即可。

void map_init(unsigned int nbuckets)
{
	...
	assert((nbuckets % 2) == 0);
    map_resize(&base, nbuckets);
}

由上节课可知，map_bucketidx函数中使用的是按位与来获取余数，所以这里的nbuckets的值应为2的倍数，所以这里断言判断一下。

2 桶的内存分配

另外，在map_resize函数中使用的是stdlib.h库中的realloc函数，我们就在分配之前释放上一次分配的，然后使用MAP_MALLOC分配就行了。如下图所示：

在这里插入图片描述

由于我们设置了桶的默认大小，我们可以根据实际情况调整桶的大小，只要不超过这个大小，就不会调用到map_resize函数。

3 支持不同的数据类型

从代码中可以看出：

int map_set_(map_base_t *m, const char *key, void *value, int vsize)
{
	...
	memcpy((*next)->value, value, vsize);
	...
}

value传入的是一个指针，然后函数中使用memcpy拷贝的是指针指向地址里面的值。所以这种情况就导致我们map的值只能使用字符串或定义一个变量并传入地址。假设我们希望值为int类型，然后直接写入数值就不允许了。另外，有的时候我们又希望这个函数不要拷贝函数的内容，比如我们的值传入的就是常量字符串，那我们在函数中还又拷贝一次，这样浪费了内存。所以我们就来更改一下这部分的代码，让它既支持拷贝参数内容，又支持保存参数的地址。

3.1 数据结构修改

首先我们回顾一下之前的数据结构：

typedef map_t(void*) map_void_t;
typedef map_t(char*) map_str_t;
typedef map_t(int) map_int_t;
typedef map_t(char) map_char_t;
typedef map_t(float) map_float_t;
typedef map_t(double) map_double_t;

其中map_t为：

#define map_t(T)\
  struct { map_base_t base; T ref;}

我们知道，map实际的数据结构就是map_base_t，而这个T ref就是标记不同数据类型的唯一地方了。而且ref变量仅在下面用到：

#define map_get(m, key)\
  ( (m)->ref = map_get_(&(m)->base, key) )

也就是获取键值的是保存在这个变量中，但很明显，假设类型为int，map_get_却返回的是一个指针，类型明显不符。另外将结果保存在ref中似乎也没什么意义。所以我们直接删除ref这个变量，和所有的类型的typedef，直接typedef整个结构体就行了。

为了能够区别不同数据类型的长度，我们增加两个变量，typeSize表示数据类型的大小，isCpyAddr表示设置键值的时候是拷贝地址里的值(isCpyAddr=1)，还是直接传入值给函数(拷贝参数，isCpyAddr=0)。然后将整个数据结构命名为map_c_t：

typedef struct{
    map_base_t base;
    unsigned char typeSize;
    unsigned char isCpyAddr;
}map_c_t;

接下来我们就改下面三个函数：map_init、map_set和map_get，删掉宏定义的map_set和map_get。

  • 对于其它几个宏定义和函数，如map_remove、map_deinit等，自行更改一下，主要是将函数参数map_base_t修改为map_c_t即可。

3.2 map_init

原来的map_init是一个宏定义，然后用memset将整个map数据结构置0，现在我们将其改为函数。对于不同的数据类型，我们声明一个枚举类型供用户选择传参：

typedef enum{
    MAP_TYPE_VOID_PTR,    //void *
    MAP_TYPE_CHAR_PTR,    //char *
    MAP_TYPE_INT,         //int
    MAP_TYPE_CHAR,        //char
    MAP_TYPE_FLOAT,       //float
    MAP_TYPE_DOUBLE,      //double
}MAP_TYPE;

然后map_init函数如下：

void map_init(map_c_t *instance, MAP_TYPE type, unsigned char isCpyAddr, unsigned int nbuckets)
{
    memset(instance, 0, sizeof(map_c_t));
    switch(type)
    {
    case MAP_TYPE_VOID_PTR:{instance->typeSize = sizeof(void *);break;}
    case MAP_TYPE_CHAR_PTR:{instance->typeSize = sizeof(char *);break;}
    case MAP_TYPE_INT     :{instance->typeSize = sizeof(int);break;}
    case MAP_TYPE_CHAR    :{instance->typeSize = sizeof(char);break;}
    case MAP_TYPE_FLOAT   :{instance->typeSize = sizeof(float);break;}
    case MAP_TYPE_DOUBLE  :{instance->typeSize = sizeof(double);break;}
    default:break;
    }
    instance->isCpyAddr = isCpyAddr; //拷贝地址里的内容
    assert((nbuckets % 2) == 0);
    map_resize(&instance->base, nbuckets);
}
  1. 根据枚举类型保存数据的typeSize，这样比如在用户传入数字的时候，就知道拷贝多大的数据。
  2. isCpyAddr保存是否需要拷贝地址里的内容
  3. 最后根据设置的桶的初始大小来分配内存

3.3 map_set

我们直接来看一下代码前后的对比：

在这里插入图片描述

  1. 首先将原来的map_base_t改为我们定义的map_c_t，然后更改下面所有用到base的地方
  2. 这里vsize为我们传入的参数的大小，如果参数为字符串且我们用的是拷贝方式的话，我们需要传入vsize的大小，这样用户传入字符串的时候，我们就知道拷贝多大的长度。在其它时候，vsize可以传0，vsize就设置为数据类型对应的typeSize。
  3. 最后就是根据isCpyAddr来判断是拷贝地址里的值还是拷贝地址，分别在节点已经存在时和创建节点时修改代码。

这里举一个例子，如果我们设置的是MAP_TYPE_INT，然后传入的值是123，那么这个void *类型的value的值就是123，如果直接用memcpy拷贝的话，就拷贝的是123这个地址里的值；所以传入123的时候我们就拷贝value的地址&value就行了。

3.4 map_get

map_get函数不需要做太大的改动，只要把参数改成我们定义的map_c_t，然后把map_getref中的参数改成&m->base就行了。

void *map_get(map_c_t *m, const char *key) {
  map_node_t **next = map_getref(&m->base, key);
  return next ? (*next)->value : NULL;
}

4 测试

这里我把各个类型的使用都写了一个例子，只需要更改TEST_MODE宏定义即可：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "map.h"

#define TEST_MODE 1

static map_c_t langMap;
int main()
{
#if (TEST_MODE == 1)       //字符串测试:拷贝字符串地址[常用]
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_CHAR_PTR, 0, 8);
    map_set(&langMap, "test", "1234", 0);
    char **ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x %x = %s\r\n", "1234", *ret, *ret);
#elif (TEST_MODE == 2)     //字符串测试:拷贝字符串的值map_node_t后面的内存中(需要指定长度)
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_CHAR_PTR, 1, 8);
    map_set(&langMap, "test", "1234", sizeof("1234"));
    char *ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x %x = %s\r\n", "1234", ret, ret);
#elif (TEST_MODE == 3)     //int测试:保存数字的值到map_node_t后[常用]
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_INT, 0, 8);
    map_set(&langMap, "test", 123, 0);
    int *ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x = %d\r\n", *ret, *ret);
#elif (TEST_MODE == 4)     //int测试:拷贝int变量的值到map_node_t后
    const int a = 123;
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_INT, 1, 8);
    map_set(&langMap, "test", &a, 0);
    int *ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x %x = %d\r\n", &a, *ret, *ret);
#elif (TEST_MODE == 5)     //int测试:保存int变量的地址
    const int a = 123;
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_INT, 0, 8);
    map_set(&langMap, "test", &a, 0);
    int **ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x %x = %d\r\n", &a, *ret, **ret);
#elif (TEST_MODE == 6)     //char测试:拷贝字符的值到map_node_t后[常用]
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_CHAR, 0, 8);
    map_set(&langMap, "test", 'a', 0);
    char *ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x = %c\r\n", *ret, *ret);
#elif (TEST_MODE == 7)     //double测试:保存double变量地址到map_node_t后
    const double a = 3.14;
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_DOUBLE, 0, 8);
    map_set(&langMap, "test", &a, 0);
    double **ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x %x = %lf\r\n", &a, *ret, **ret);
#elif (TEST_MODE == 8)     //double测试:拷贝double变量的值到map_node_t后
    const double a = 3.14;
    map_init(&langMap, MAP_TYPE_DOUBLE, 1, 8);
    map_set(&langMap, "test", &a, 0);
    double *ret = map_get(&langMap, "test");
    printf("%x %x = %lf\r\n", &a, ret, *ret);
#else
    //1.float类型:代码同double
    //2.void *类型:这种情况一般是保存地址,所以map_init最后一个参数为0
#endif
    return 0;
}

这里来展示一下int作为值类型，传入数值时的演示结果：

在这里插入图片描述

可以看到，输出符合预期，0x7b是创建map_node_t节点时分配的内存地址里value的地址。

5 总结

本文基于Github上给的代码进行了一些小小的优化，使其可以适配不同的数据类型，并能够初始分配一个桶的内存。但正如前面所说，代码并没有完整做完适配，如map_deinit等函数还需要小小修改一下。大家可以自行修改，或者大家还有什么优化的建议都可以在我下面的git仓库中进行提交。

  • 完整代码：https://github.com/Vinolzy/map_fix

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