哈希桶封装unordered_map、unordered_set

news2024/11/24 10:29:42

哈希桶源代码

我们将由下列的哈希桶来模拟封装STL库中的unordered_map和unordered_set

注意：为了实现封装unordered_map和unordered_set，我们需要对下列源码进行优化。

//哈希桶
namespace hashbucket
{
    template<class K,class V>
    struct HashNode
    {
        HashNode* _next;
        pair<K, V> _kv;

        HashNode(const pair<K, V>& kv)

            :_kv(kv)
            ,_next(nullptr)
            {}
    };


    template<class K,class V>
    class HashTables
    {
        typedef HashNode<K, V> Node;
    public:

        //构造函数
        HashTables()
        {
            _tables.resize(10);
        }

        //析构函数
        ~HashTables()
        {
            for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
            {
                Node* cur = _tables[i];
                while (cur)
                {
                    Node* next = cur->_next;
                    delete cur;
                    cur = next;
                }
                _tables[i] = nullptr;
            }
        }

        //插入函数
        bool Insert(const pair<K, V>& kv)
        {
            if (Find(kv.first))
            {
                return false;
            }

            //负载因子
            if (_n == _tables.size())//因子到1开始扩容
            {
                //开新表
                vector<Node*> newtables;
                newtables.resize(_tables.size() * 2, nullptr);
                //遍历旧表
                for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
                {
                    Node* cur = _tables[i];
                    while (cur)
                    {
                        Node* next = cur->_next;//记录下一个的地址
                        size_t hash = cur->_kv.first % newtables.size();//计算哈希值
                        //头插
                        cur->_next = newtables[i];
                        newtables[i] = cur;
                        //更新下一个位置
                        cur = next;
                    }
                    //将表置空
                    _tables[i] = nullptr;
                }
                //交换新旧表
                _tables.swap(newtables);
            }
            size_t hash = kv.first % _tables.size();//计算哈希值
            Node* newnode = new Node(kv);//创建结点
            //头插
            newnode->_next = _tables[hash];
            _tables[hash] = newnode;
            ++_n;
            return true;
        }

        //查找函数
        Node* Find(const K& key)
        {
            size_t hash = key % _tables.size();//计算哈希值
            Node* cur = _tables[hash];//寻找位置

            while (cur)//cur不为空则继续寻找
            {
                if (cur->_kv.first == key)//相同则找到
                {
                    return cur;//返回找到的地址
                }
                //不相同则判断下一个
                cur = cur->_next;
            }
            //出循环还没找到则返回空
            return NULL;
        }

        //删除函数
        bool Erase(const K& key)
        {
            size_t hash = key % _tables.size();//计算哈希值
            Node* prev = nullptr;//记录前地址
            Node* cur = _tables[hash];//记录当前地址
            while (cur)//不为空则继续寻找
            {
                if (cur->_kv.first == key)//相同则找到
                {
                    if (prev == nullptr)//如果为头删
                    {
                        _tables[hash] = cur->_next;//将下一个结点地址放到指针数组上
                    }
                    else
                    {
                        prev->_next = cur->_next;//将前一个结点连接后一个地址
                    }
                    delete cur;//删除找到的结点
                    return true;
                }
                prev = cur;
                cur = cur->_next;
            }
            //出循环还没找到则删除失败
            return false;
        }

    private:
        vector<Node*> _tables;
        size_t _n = 0;
    };
}

哈希桶的模板参数

这是原始模板：

    template<class K, class V>
    class HashTables

这是优化后的模板：

    template<class K, class T,class KeyofT>
    class HashTables

可以看到，这将V变为T，然后多出了KeyofT，这是什么意思呢？ 

（V->T请看下面，KeyofT请看仿函数阶段）

class V    --->    class T

首先最基本的：set是K模型，map是KV模型

在set容器中,T是对应着key：

    template<class K>
    class unordered_set
    {
    public:
    //...
    private:
        hashbucket::HashTables<K, K, SetKeyofT> _ht;
    };

 在map容器中,T是对应着key和value组成的键值对：

    template<class K,class V>
    class unordered_map
    {
    public:
    //...
    private:
        hashbucket::HashTables<K, pair<const K, V>, MapKeyofT> _ht;
    };

所以模板T实际的类型是取决于上层使用的是K还是pair<K,V> 

这一切的一切都是为了让哈希桶能够适配两种不同的容器。

 

所以，哈希桶的模板参数改变后，那么结点类的模板参数也需要跟着改变了。（看下面标题） 

结点类的模板参数实现

优化前：

    template<class K,class V>
    struct HashNode
    {
        HashNode* _next;
        pair<K, V> _kv;
 
        HashNode(const pair<K, V>& kv)
 
            :_kv(kv)
            ,_next(nullptr)
            {}
    };

优化后： 

    //结点
    template<class T>
    struct HashNode
    {
        HashNode* _next;
        T _data;

        HashNode(const T& data)

            :_data(data)
            , _next(nullptr)
        {}
    };

可以看到，这里的_data就是原本的kv键值对数据，而T对应set中的key，map中的kv键值对。 

那么，class KeyofT呢？这里就要说到仿函数了↓

unordered_map、unordered_set中的仿函数

在unordered_map和unordered_set容器中各自的私有函数分别有着：

它们分别传入底层哈希桶时，T传入的可能是key，也可能是key和value的键值对，如果是键值对，那么就需要将键值对的key提取出来再进行比较，那么此时就需要用到仿函数来提取key。

        //map容器
        struct MapKeyofT
        {
            const K& operator()(const pair<K,V>& kv)
            {
                return kv.first;
            }
        };

        //set容器
        struct SetKeyofT
        {
            const K& operator()(const K& key)
            {
                return key;
            }
        };

可以看到，我们在这个仿函数中重载了operator()， 这个operator()在map中用来提取kv.first，也就是key值，为了能统一map和set，我们在set也重载了operator()。

所以set传入底层哈希桶就是set的仿函数，map传入底层哈希桶就是map的仿函数。

迭代器类的实现

先查看下列代码：

    //解决冲突的前置声明
    template<class K, class T, class KeyofT>
    class HashTables;

    //迭代器
    template<class K,class T,class Ref, class Ptr, class KeyofT>
    struct HTiterator
    {
        typedef HashNode<T> Node;//哈希结点的类型
        typedef HTiterator<K, T, Ref, Ptr, KeyofT> Self;//迭代器类型
        Node* _node;//结点指针

        const HashTables<K, T, KeyofT>* _pht;//迭代器要哈希表，哈希表要迭代器，冲突
        //vector<Node*>* _ptb;//直接使用私有类，就不会冲突了

        size_t _hash;//用来计算哈希值

    };

可以看到这里有一个用来解决冲突的前置声明，因为在后续使用迭代器时，我们需要用到哈希表类型，但是这个迭代器类是放在哈希表上面，编译器会往上寻找，找不到，那么就会报错，此时这种情况就是，哈希表需要用到迭代器，迭代器需要用到哈希表，两者冲突了，为了解决这种情况，我们加了个前置声明哈希表，告诉编译器是存在的，往下找就好了。 

构造函数

        //构造函数
        HTiterator(Node* node, HashTables<K, T, KeyofT>* pht, size_t hash)
            :_node(node)
            , _pht(pht)
            , _hash(hash)
        {}
        //const构造函数
        HTiterator(Node* node, const HashTables<K, T, KeyofT>* pht, size_t hash)
            :_node(node)
            , _pht(pht)
            , _hash(hash)
        {}

 *函数重载

        Ref operator*()
        {
            return _node->_data;//对地址的解引用，返回对应数据即可
        }

->函数重载 

        Ptr operator->()
        {
            return &_node->_data;//返回数据地址的引用
        }

!=函数重载 

        bool operator!=(const Self& s)
        {
            return _node != s._node;//判断两个结点的地址是否不同
        }

==函数重载 

bool operator==(const Self& s) const
{
	return _node == s._node; //判断两个结点的地址是否相同
}

 ++函数重载

        Self& operator++()
        {
            if (_node->_next)//如果结点的下一个位置不为空
            {
                _node = _node->_next;//继续往下走
            }
            else//如果结点的下一个位置为空
            {
                //开始重新寻找下一个桶
                ++_hash;//哈希值++往后寻找
                
                while (_hash < _pht->_tables.size())//当哈希值不超过表的大小的话循环
                {
                    //如果哈希值对应的位置不为空，那么就找到了
                    if (_pht->_tables[_hash])
                    {
                        _node = _pht->_tables[_hash];//更新结点位置
                        break;//停止循环
                    }
                    //如果为空，出了判定条件，那么哈希值继续自增
                    ++_hash;
                }
                //如果哈希值超过了表的大小，那么说明没有了，让结点置空
                if (_hash == _pht->_tables.size())
                {
                    _node = nullptr;
                }
            }
            return *this;
        }

迭代器函数的实现

        typedef HTiterator<K, T, T&, T*, KeyofT> iterator;
        typedef HTiterator<K, T, const T&, const T*, KeyofT> const_iterator;

        iterator begin()
        {
            从表头开始寻找，直到找到第一个不为空的位置，返回该迭代器
            for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
            {
                if (_tables[i])
                {
                    return iterator(_tables[i], this, i);
                }
            }
            //如果没找到那么就直接返回空，调用end()即可
            return end();
        }

        iterator end()
        {
            //返回nullptr
            return iterator(nullptr, this, -1);
        }

        const_iterator begin() const
        {
            for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
            {
                if (_tables[i])
                {
                    return const_iterator(_tables[i], this, i);
                }
            }
            return end();
        }

        const_iterator end() const
        {
            return const_iterator(nullptr, this, -1);
        }

优化之后的哈希桶代码

//哈希桶
namespace hashbucket
{
    //结点
    template<class T>
    struct HashNode
    {
        HashNode* _next;
        T _data;

        HashNode(const T& data)

            :_data(data)
            , _next(nullptr)
        {}
    };

    //解决冲突的前置声明
    template<class K, class T, class KeyofT>
    class HashTables;

    //迭代器
    template<class K,class T,class Ref, class Ptr, class KeyofT>
    struct HTiterator
    {
        typedef HashNode<T> Node;
        typedef HTiterator<K, T, Ref, Ptr, KeyofT> Self;
        Node* _node;

        const HashTables<K, T, KeyofT>* _pht;//迭代器要哈希表，哈希表要迭代器，冲突
        //vector<Node*>* _ptb;//直接使用私有类，就不会冲突了

        size_t _hash;

        HTiterator(Node* node,HashTables<K,T,KeyofT>* pht,size_t hash)
            :_node(node)
            ,_pht(pht)
            ,_hash(hash)
        {}

        HTiterator(Node* node, const HashTables<K, T, KeyofT>* pht, size_t hash)
            :_node(node)
            , _pht(pht)
            , _hash(hash)
        {}

        Self& operator++()
        {
            if (_node->_next)
            {
                _node = _node->_next;
            }
            else
            {
                ++_hash;
                while (_hash < _pht->_tables.size())
                {
                    if (_pht->_tables[_hash])
                    {
                        _node = _pht->_tables[_hash];
                        break;
                    }
                    ++_hash;
                }
                if (_hash == _pht->_tables.size())
                {
                    _node = nullptr;
                }
            }
            return *this;
        }

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

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

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


    //哈希表
    template<class K, class T,class KeyofT>
    class HashTables
    {
        typedef HashNode<T> Node;

        //友元函数，让外部类能访问私有成员
        template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyofT>
        friend struct HTiterator;

    public:
        
        typedef HTiterator<K, T, T&, T*, KeyofT> iterator;
        typedef HTiterator<K, T, const T&, const T*, KeyofT> const_iterator;

        iterator begin()
        {
            for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
            {
                if (_tables[i])
                {
                    return iterator(_tables[i], this, i);
                }
            }
            return end();
        }

        iterator end()
        {
            return iterator(nullptr, this, -1);
        }

        const_iterator begin() const
        {
            for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
            {
                if (_tables[i])
                {
                    return const_iterator(_tables[i], this, i);
                }
            }
            return end();
        }

        const_iterator end() const
        {
            return const_iterator(nullptr, this, -1);
        }

        //构造函数
        HashTables()
        {
            _tables.resize(10);
        }

        //析构函数
        ~HashTables()
        {
            for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
            {
                Node* cur = _tables[i];
                while (cur)
                {
                    Node* next = cur->_next;
                    delete cur;
                    cur = next;
                }
                _tables[i] = nullptr;
            }
        }

        //插入函数
        pair<iterator,bool> Insert(const T& data)
        {
            KeyofT kot;
            iterator it = Find(kot(data));

            if (it != end())
            {
                return make_pair(it,false);
            }

            //负载因子
            if (_n == _tables.size())//因子到1开始扩容
            {
                //开新表
                vector<Node*> newtables;
                newtables.resize(_tables.size() * 2, nullptr);
                //遍历旧表
                for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
                {
                    Node* cur = _tables[i];
                    while (cur)
                    {
                        Node* next = cur->_next;//记录下一个的地址
                        size_t hash = kot(cur->_data) % newtables.size();//计算哈希值
                        //头插
                        cur->_next = newtables[i];
                        newtables[i] = cur;
                        //更新下一个位置
                        cur = next;
                    }
                    //将表置空
                    _tables[i] = nullptr;
                }
                //交换新旧表
                _tables.swap(newtables);
            }
            size_t hash = kot(data) % _tables.size();//计算哈希值
            Node* newnode = new Node(data);//创建结点
            //头插
            newnode->_next = _tables[hash];
            _tables[hash] = newnode;
            ++_n;
            return make_pair(iterator(newnode,this,hash), true);
        }

        //查找函数
        iterator Find(const K& key)
        {
            KeyofT kot;
            size_t hash = key % _tables.size();//计算哈希值
            Node* cur = _tables[hash];//寻找位置

            while (cur)//cur不为空则继续寻找
            {
                if (kot(cur->_data) == key)//相同则找到
                {
                    return iterator(cur,this,hash);//返回找到的地址
                }
                //不相同则判断下一个
                cur = cur->_next;
            }
            //出循环还没找到则返回空
            return end();
        }

        //删除函数
        bool Erase(const K& key)
        {
            KeyofT kot;
            size_t hash = key % _tables.size();//计算哈希值
            Node* prev = nullptr;//记录前地址
            Node* cur = _tables[hash];//记录当前地址
            while (cur)//不为空则继续寻找
            {
                if (kot(cur->_data) == key)//相同则找到
                {
                    if (prev == nullptr)//如果为头删
                    {
                        _tables[hash] = cur->_next;//将下一个结点地址放到指针数组上
                    }
                    else
                    {
                        prev->_next = cur->_next;//将前一个结点连接后一个地址
                    }
                    delete cur;//删除找到的结点
                    return true;
                }
                prev = cur;
                cur = cur->_next;
            }
            //出循环还没找到则删除失败
            return false;
        }

    private:
        vector<Node*> _tables;
        size_t _n = 0;
    };

}

用哈希桶封装unordered_map的代码

#pragma once
#include"hashtable.h"

namespace bear
{
    template<class K,class V>
    class unordered_map
    {
        struct MapKeyofT
        {
            const K& operator()(const pair<K,V>& kv)
            {
                return kv.first;
            }
        };
    public:
        typedef typename hashbucket::HashTables<K, pair<const K, V>, MapKeyofT>::iterator iterator;
        typedef typename hashbucket::HashTables<K, pair<const K, V>, MapKeyofT>::const_iterator const_iterator;

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

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

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

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

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

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

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

        iterator Find(const K& key)
        {
            return _ht.Find(key);
        }
        bool Erase(const K& key)
        {
            return _ht.Erase(key);
        }

    private:
        hashbucket::HashTables<K, pair<const K, V>, MapKeyofT> _ht;
    };
}

用哈希桶封装unordered_set的代码

#pragma once
#include"hashtable.h"

namespace bear
{
    template<class K>
    class unordered_set
    {
        struct SetKeyofT
        {
            const K& operator()(const K& key)
            {
                return key;
            }
        };
    public:
        typedef typename hashbucket::HashTables<K, K, SetKeyofT>::const_iterator iterator;
        typedef typename hashbucket::HashTables<K, K, SetKeyofT>::const_iterator const_iterator;

        //iterator begin()
        //{
        //    return _ht.begin();
        //}

        //iterator end()
        //{
        //    return _ht.end();
        //}

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

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

        pair<const_iterator,bool> Insert(const K& key)
        {
            auto ret = _ht.Insert(key);
            return pair<const_iterator, bool>(const_iterator(ret.first._node,ret.first._pht,ret.first._hash),ret.second);
        }

        iterator Find(const K& key)
        {
            return _ht.Find(key);
        }
        bool Erase(const K& key)
        {
            return _ht.Erase(key);
        }

    private:
        hashbucket::HashTables<K, K, SetKeyofT> _ht;
    };
}

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