C++【STL】改造红黑树简单模拟实现set map（带你了解set map的底层实现结构）

news2024/11/25 6:27:51

目录

一、学前铺垫（泛型编程）

二、改造红黑树

1.红黑树节点的改造

2.insert的改造

3.迭代器的实现

4.完整改造代码

三、set的模拟实现封装

四、map的模拟实现封装

五、完结撒❀

前言：

下面为了简单模拟实现set map所出现的代码是以C++中STL源码库中的代码逻辑基础进行的简化代码，本片博客目的是带你简单深入底层，了解set map底层的实现逻辑，对泛型编程有更加深刻的认识。

一、学前铺垫（泛型编程）

本篇博客我们通过对一个红黑树进行改造，使其可以让set和map的模拟实现都使用这一个红黑树结构，因为set map所存储的数据类型不一样,set底层存储的是pair<key,key>,map底层存储的是pair<key,value>,所以这里就一定会用上多个模板对红黑树进行改造，形成泛型编程，之后再对set map使用改造后的红黑树进行封装，达到模拟STL库中set map的效果。（有能力的可以直接去看STL中set map所实现的源码，逻辑与我所讲述的相同）

二、改造红黑树

1.红黑树节点的改造

这里节点的构造基本与二叉搜索树的节点构造相同，但是因为要同时兼顾set map两中类型，所以存储数据的类型不可以写死，要用到模板，节点代码如下：

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

	Color _col;
	T _data;

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

2.insert的改造

需要改造的地方：

1) 根据STL库中的set和map的insert的功能，插入成功返回插入位置所在的迭代器以及true，插入失败说明树中已存在改值，返回该值所在的位置的迭代器以及false，所以返回类型应为pair<iterator,bool>，所以返回类型需要进行改造。

2) 在insert中大小值的比较，因为要兼容set和map，而在set中的模板类型只需要一个就可以进行初始化，因为set中底层数据类型是一样的，而map不同，map底层类型其实是pair<key,pair<key,value>>实现，因为在实现find函数时需要用到key的值并且与set保持一致，所以将value类型定义为pair<key,value>，那么在后续的比较大小中就不能那么随意了，因为set直接拿其节点指向的_data进行比较即可，而map中的_data为pair<key,pair<key,value>>,不可以直接拿来进行比较,所以我们将代码进行改造。

下面是模拟实现set，map的简单封装。SetKeyOFT，MapKeyOFT就是解决大小比较所定义的内部类。
Mymap.h:

template <class K,class V>
class map
{
public:

	struct MapKeyOFT
	{
		const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
		{
			return kv.first;
		}
	};
private:
	RBTree<K, pair<K,V>, MapKeyOFT> _t;
};

Myset.h:

template <class K>
class set
{
public:
	struct SetKeyOFT
	{
		const K& operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};
private:
	RBTree<K,K, SetKeyOFT> _t;
};

insert函数改造实现：

	pair<iterator,bool> Insert(const T& data)
	{
		//二叉树为空，插入第一个值
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			return make_pair(iterator(_root),true);
		}

		KeyOfT kot;
		//后续插入
		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) > kot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else if (kot(cur->_data) < kot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else
			{
				//不允许冗余
				return make_pair(iterator(cur),false);
			}
		}

		//找到对应位置
		cur = new Node(data);
		cur->_parent = parent;
		
		Node* newcur = cur;

		if (kot(parent->_data) > kot(data))
		{
			parent->_left = cur;
		}
		else
		{
			parent->_right = cur;
		}

		//父亲的颜色是黑色也就结束
		while (parent && parent->_col == RED)//红黑树出现错误需要改正
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			if (grandfather->_left == parent)
			{
				//舅子树在右边
				Node* uncle = grandfather->_right;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					//存在且颜色为红
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;
					/*if (grandfather == _root)
					{
						grandfather->_col = BLACK;
					}
					else
					{
						grandfather->_col = RED;
					}*/

					grandfather->_col = RED;

					cur = grandfather;
					parent = grandfather->_parent;
				}
				else
				{
					//舅子树不存在或颜色为黑
					if (parent->_left == cur)
					{
						//单旋
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						RNode(grandfather);
					}
					else
					{
						//双旋 先左再右
						LNode(parent);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						RNode(grandfather);
					}
					break;
				}
			}
			else
			{
				//舅子树在左边
				Node* uncle = grandfather->_left;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					cur = grandfather;
					parent = grandfather->_parent;
				}
				else
				{
					if (parent->_right == cur)
					{
						//单旋
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						LNode(grandfather);
					}
					else
					{
						//双旋
						RNode(parent);
						LNode(grandfather);
						grandfather->_col = RED;
						cur->_col = BLACK;
					}
					break;
				}
			}
		}

		_root->_col = BLACK;

		return make_pair(iterator(newcur),true);
	}

因为只在红黑树insert函数里面使用的都是模板，所以是不知道所传数据的具体类型，但是在模拟实现的set，map中知道其对应的类型，所以我们可以在set，map类里面定义一个类，在这个类里面定义一个仿函数用于提取所对应比较大小的值，再将这个类用模板参数传递给红黑树中，在需要比较大小时提前用这个类定义一个变量，在通过仿函数进行大小的比较，这样就可以实现set，map的兼容。

3.迭代器的实现

迭代器的好处是可以方便遍历，是数据结构的底层实现与用户透明。如果想要给红黑树增加迭代
器，需要考虑以前问题：
● begin() 与 end()
STL 明确规定， begin() 与 end() 代表的是一段前闭后开的区间，而对红黑树进行中序遍历后，
可以得到一个有序的序列，因此： begin() 可以放在红黑树中最小节点 ( 即最左侧节点 ) 的位
置 ， end() 放在最大节点 ( 最右侧节点 ) 的下一个位置 ，关键是最大节点的下一个位置在哪块？
能否给成 nullptr 呢？答案是行不通的，因为 对 end() 位置的迭代器进行 -- 操作，必须要能找最
后一个元素 ，此处就不行，因此最好的方式是 将 end() 放在头结点的位置 ：

● operator++()与operator--()

// 找迭代器的下一个节点，下一个节点肯定比其大
void Increasement()
{
	//分两种情况讨论:_pNode的右子树存在和不存在
	// 右子树存在
	if (_pNode->_pRight)
	{
		// 右子树中最小的节点，即右子树中最左侧节点
		_pNode = _pNode->_pRight;
		while (_pNode->_pLeft)
			_pNode = _pNode->_pLeft;
	}
	else
	{
		// 右子树不存在，向上查找，直到_pNode != pParent->right
		PNode pParent = _pNode->_pParent;
		while (pParent->_pRight == _pNode)
		{
			_pNode = pParent;
			pParent = _pNode->_pParent;
		}
		// 特殊情况：根节点没有右子树
		if (_pNode->_pRight != pParent)
			_pNode = pParent;
	}
}
// 获取迭代器指向节点的前一个节点
void Decreasement()
{
	//分三种情况讨论：_pNode 在head的位置，_pNode 左子树存在，_pNode 左子树不
	存在
		// 1. _pNode 在head的位置，--应该将_pNode放在红黑树中最大节点的位置
		if (_pNode->_pParent->_pParent == _pNode && _pNode->_color == RED)
			_pNode = _pNode->_pRight;
		else if (_pNode->_pLeft)
		{
			// 2. _pNode的左子树存在,在左子树中找最大的节点，即左子树中最右侧节点
			_pNode = _pNode->_pLeft;
			while (_pNode->_pRight)
				_pNode = _pNode->_pRight;
		}
		else
		{
			// _pNode的左子树不存在，只能向上找
			PNode pParent = _pNode->_pParent;
			while (_pNode == pParent->_pLeft)
			{
				_pNode = pParent;
				pParent = _pNode->_pParent;
			}
			_pNode = pParent;
		}
}

4.完整改造代码

#pragma once
#include <iostream>
using namespace::std;

enum Color
{
	RED,//(0)
	BLACK//(1)
};

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

	Color _col;
	T _data;

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

template <class T,class Ref,class Ptr>
struct __RBTreeIterator
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	typedef __RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;

	Node* _node;

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

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

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

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

	Self& operator--()
	{
		if (_node->_left)
		{
			//存在左子树
			Node* cur = _node->_left;
			while (cur->_right)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			_node = cur;
		}
		else
		{
			//不存在左子树
			Node* parent = _node->_parent;
			if (parent && parent->_left == _node)
			{
				//为父亲的左孩子
				while (parent && parent->_left == _node)
				{
					_node = parent;
					parent = parent->_parent;
				}
				_node = parent;
			}
			else
			{
				//为父亲的右孩子
				_node = parent;
			}
		}

		return *this;
	}

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)
		{
			//存在右子树
			_node = _node->_right;
			while (_node && _node->_left)
			{
				_node = _node->_left;
			}
		}
		else
		{
			//不存在右子树
			Node* parent = _node->_parent;
			while (parent && _node == parent->_right)
			{
				_node = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}
};

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;

	RBTree() = default;//强制编译器生成构造函数

	//拷贝构造
	RBTree(RBTree<K, const T, KeyOfT>& t)
	{
		_root = copy(t._root);
	}

	iterator begin()
	{
		Node* LeftMin = _root;
		while (LeftMin && LeftMin->_left)
		{
			LeftMin = LeftMin->_left;
		}
		return iterator(LeftMin);
	}

	iterator end()
	{
		return iterator(_root->_parent);
	}
	
	const_iterator begin() const
	{
		Node* LeftMin = _root;
		while (LeftMin && LeftMin->_left)
		{
			LeftMin = LeftMin->_left;
		}
		return const_iterator(LeftMin);
	}

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

	//右单旋，满足二叉树引发右单旋之后平衡因子一定为0
	void RNode(Node* parent)
	{
		Node* pparent = parent->_parent;

		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;

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

		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;

		if (pparent)
		{
			subL->_parent = pparent;

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

	//左单旋
	void LNode(Node* parent)
	{
		Node* pparent = parent->_parent;

		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

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

		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;

		if (pparent)
		{
			subR->_parent = pparent;

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

	pair<iterator,bool> Insert(const T& data)
	{
		//二叉树为空，插入第一个值
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			return make_pair(iterator(_root),true);
		}

		KeyOfT kot;
		//后续插入
		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) > kot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else if (kot(cur->_data) < kot(data))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else
			{
				//不允许冗余
				return make_pair(iterator(cur),false);
			}
		}

		//找到对应位置
		cur = new Node(data);
		cur->_parent = parent;
		
		Node* newcur = cur;

		if (kot(parent->_data) > kot(data))
		{
			parent->_left = cur;
		}
		else
		{
			parent->_right = cur;
		}

		//父亲的颜色是黑色也就结束
		while (parent && parent->_col == RED)//红黑树出现错误需要改正
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			if (grandfather->_left == parent)
			{
				//舅子树在右边
				Node* uncle = grandfather->_right;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					//存在且颜色为红
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;

					grandfather->_col = RED;

					cur = grandfather;
					parent = grandfather->_parent;
				}
				else
				{
					//舅子树不存在或颜色为黑
					if (parent->_left == cur)
					{
						//单旋
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						RNode(grandfather);
					}
					else
					{
						//双旋 先左再右
						LNode(parent);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						RNode(grandfather);
					}
					break;
				}
			}
			else
			{
				//舅子树在左边
				Node* uncle = grandfather->_left;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					cur = grandfather;
					parent = grandfather->_parent;
				}
				else
				{
					if (parent->_right == cur)
					{
						//单旋
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						LNode(grandfather);
					}
					else
					{
						//双旋
						RNode(parent);
						LNode(grandfather);
						grandfather->_col = RED;
						cur->_col = BLACK;
					}
					break;
				}
			}
		}

		_root->_col = BLACK;

		return make_pair(iterator(newcur),true);
	}

	bool IsRBTree()
	{
		if (_root->_col == RED)
		{
			cout << "根节点为红节点" << endl;
			return false;
		}

		int DefNum = 0;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_col == BLACK)
			{
				DefNum++;
			}

			cur = cur->_left;
		}

		return _Check(_root, 0, DefNum);
	}

	~RBTree()
	{
		Destory(_root); 
		_root = nullptr;
	}

private:
	Node* copy(const Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return nullptr;
		}

		Node* newnode = new Node(root->_data);
		newnode->_col = root->_col;

		newnode->_left = copy(root->_left);
		if(newnode->_left)
			newnode->_left->_parent = newnode;
		newnode->_right = copy(root->_right);
		if (newnode->_left)
			newnode->_left->_parent = newnode;

		return newnode;
	}

	void Destory(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}

		Destory(root->_left);
		Destory(root->_right);

		delete root;
		root = nullptr;
	}

	bool _Check(Node* root, int BlackNum, int DefNum)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			if (BlackNum != DefNum)
			{
				cout << BlackNum << "|" << DefNum << endl;
				cout << "存在黑色节点数量不相等的路径" << endl;
				return false;
			}
			return true;
		}

		if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED)
		{
			cout << root->_kv.first << "->存在连续的两个红节点" << endl;
			return false;
		}

		if (root->_col == BLACK)
		{
			BlackNum++;
		}

		return _Check(root->_left, BlackNum, DefNum)
			&& _Check(root->_right, BlackNum, DefNum);
	}


	Node* _root = nullptr;

};

三、set的模拟实现封装

set 的底层为红黑树，因此只需在 set 内部封装一棵红黑树，即可将该容器实现出来 ( 具体实现可参
考 map) 。 
template <class K>
class set
{
public:
	struct SetKeyOFT
	{
		const K& operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};

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

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

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

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

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

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

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

四、map的模拟实现封装

template <class K,class V>
class map
{
public:

	struct MapKeyOFT
	{
		const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
		{
			return kv.first;
		}
	};

	typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOFT>::iterator iterator;
	typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOFT>::iterator const_iterator;

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

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

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

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

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

private:
	RBTree<K, pair<const K,V>, MapKeyOFT> _t;
};

五、完结撒❀

如果以上内容对你有帮助不妨点赞支持一下，以后还会分享更多编程知识，我们一起进步。
最后我想讲的是，据说点赞的都能找到漂亮女朋友❤

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GCC是以GPL许可证所发行的自由软件&#xff0c;也是GNU计划的关键部分。GCC的初衷是为GNU操作系统专门编写一款编译器&#xff0c;现已被大多数类Unix操作系统&#xff08;如Linux、BSD、MacOS X等&#xff09;采纳为标准的编译器。 gcc是专门用来编译C语言的&#xff0c;而g是…
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安装MySQL Sample Database

安装MySQL Sample Database

本文安装的示例数据库为官方的Employees Sample Database。 操作过程参考其安装部分。 在安装前&#xff0c;MySQL已安装完成&#xff0c;环境为Linux。 克隆github项目&#xff1a; $ git clone https://github.com/datacharmer/test_db.git Cloning into test_db... remo…
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梯度提升决策树（GBDT）

梯度提升决策树（GBDT）

GBDT&#xff08;Gradient Boosting Decision Tree&#xff09;&#xff0c;全名叫梯度提升决策树&#xff0c;是一种迭代的决策树算法&#xff0c;又叫 MART&#xff08;Multiple Additive Regression Tree&#xff09;&#xff0c;它通过构造一组弱的学习器&#xff08;树&am…
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9.3 Go 接口的多态性

9.3 Go 接口的多态性

&#x1f49d;&#x1f49d;&#x1f49d;欢迎莅临我的博客&#xff0c;很高兴能够在这里和您见面&#xff01;希望您在这里可以感受到一份轻松愉快的氛围&#xff0c;不仅可以获得有趣的内容和知识&#xff0c;也可以畅所欲言、分享您的想法和见解。 推荐:「stormsha的主页」…
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Flink的简单学习四

Flink的简单学习四

一 有状态计算 1.1 概念 1.状态;上一次计算的结果 2.需要基于上一个结果来进行计算&#xff0c;被称为有状态计算 1.2 未使用有状态计算 1.下面这个代码将相同的key发送到同一个task任务里面计算。就是因为这个导致了&#xff0c;明明之前没有输入b&#xff0c;但是输入b之…
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算数运算符与表达式（打印被10整除的数）

算数运算符与表达式（打印被10整除的数）

打印100以内&#xff08;包含100&#xff09;能被10整除的正整数 #include <stdio.h>#define UPPER 100int main() {int i 1;while (i < UPPER)if (i % 10 0)printf("%d\n", i);return 0; } 自增运算符 i 用于递增变量 i 的值。在 while 循环中&#xf…
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GPT-4欺骗人类的惊人成功率达99.16%！

GPT-4欺骗人类的惊人成功率达99.16%！

PNAS重磅研究揭示&#xff0c;LLM推理能力越强欺骗率越高&#xff01;&#xff01; 此前&#xff0c;MIT的研究发现&#xff0c;AI在各类游戏中为了达到目的&#xff0c;不择手段&#xff0c;学会用佯装和歪曲偏好等方式欺骗人类。 GPT-4o深夜发布&#xff01;Plus免费可用&…
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CANoe-Trace窗口无法解析SOME/IP报文、Demo License激活方式改变

CANoe-Trace窗口无法解析SOME/IP报文、Demo License激活方式改变

1、Trace窗口无法解析SOME/IP报文 在文章《如何让CANoe或Wireshark自动解析应用层协议》中，我们通过设置指定端口号为SOME/IP报文的方式，可以让CANoe中的Trace窗口对此端口号的报文当成是SOME/IP报文进行解析。 Trace窗口就可以根据传输层端口号对payload数据按照SOME/IP协议…
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