C++·set与map容器(下)

news2024/11/25 13:34:47

        本节把红黑树封装到set与map容器中去主要就是迭代器的自增自减,封装的大部分内容都展示到最后代码中了

1. 红黑树的改造

        因为set容器只有关键码值,map容器中不仅要存关键码值,还要存关键码值对应的数据。但是红黑树只有一颗,我们如何让一颗树适配两种存储模式。

        答案就是给红黑树两个模板参数,无论是set还是map第一个模板参数都用来表示关键码值,第二个模板参数,如果是set就存关键码值,如果是map就存pair数据。红黑树节点就只给一个模板参数只用来存储数据,也就是树的第二个模板参数。

        如此修改就可以做到set和map同用一颗红黑树了。

        但是因为我们之前红黑树是按map的方案写的,也就是说,插入中对比key值大小从而判断向左还是向右走的逻辑我们都是用 ->_kv.first 的方式访问key值的,但是明显set没办法这么操作。

        因此我们再在set和map容器中添加一个仿函数,用来取节点的关键码值

                

        之后在树中比较关键码值就可以直接用这个KeyofT生成的仿函数来取关键码。

        那树的第一个模板参数的用途就是给搜索和删除,在查找节点时,我们只需要对比关键码值就可以了。

2. 红黑树的迭代器

        关于构建迭代器的思路,我们不在容器上构建迭代器,而是直接在容器的底层,也就是红黑树中构建底层的迭代器,容器的迭代器就封装底层就好了。

        我们将迭代器的框架构建好,并在红黑树中实现好begin和end。这个end可以直接给空指针,因为树结束的下一个节点就是空指针。begin就是中序的第一个,也就是最左节点。

        下一步,我们将begin和end再封装进set和map容器中去。

        然后我们该实现迭代器的自增和自减了

2.1 operator++()

        迭代器的下一位就是中序遍历的下一位,中序遍历的顺序是 左-中-右 那么此时给到中节点了,下面分为两种情况:右树存在或右树不存在。

        当右树存在时右子树的最左节点就是中序的下一位。

        当右树不存在时,说明以该节点为根的子树已经访问完了,然后回到父亲。那如何判断父节点是否也访问完了,就需要看父节点与该节点是不是在同侧,或者说如果该节点是父节点的右孩子,说明父节点也访问完了,只有该节点是父节点的左孩子时说明父节点还未访问。如果父节点为空,说明整棵树已经遍历完了。

                ​​​​​​​        ​​​​​​​        

2.2 operator--()

        自减的逻辑与自增完全相反,或者说自减的遍历顺序是 右-中-左。

        但是我们这里要给end()迭代器做一下特殊处理,因为end()迭代器的上一位在逻辑上是中序遍历的最后一位,但是我们的end()迭代器给的是个空指针,它无法像其他正常节点那样操作。我们的特殊操作就是判断当下的迭代器是否是end(),如果是就直接来到中序遍历的最后一位,也就是最右节点。

                                

        但是这么做特殊处理也有弊端,就是当_root被旋转改变了之后迭代器就失效了。因此在库中,root上面还有一个head节点用来维护树,其中存储了root节点,最左节点和最右节点的信息,这样就不会出现迭代器失效的问题了,同时end()迭代器可以直接给head节点而不用给空了,并且每次找最左节点和最右节点时也非常方便。

        

3. 完整代码

RBTree.h

//节点的颜色
enum color{RED,BLACK};
//红黑树节点的定义
template<class T>
struct RBTNode
{
	RBTNode(const T& data, color color = RED)
		: _data(data)
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _col(color) 
	{}

	T _data;
	RBTNode<T>* _left;
	RBTNode<T>* _right;
	RBTNode<T>* _parent;	
	color _col;	//节点颜色
};


//红黑树的迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct RBTIterator
{
	typedef RBTNode<T> Node;
	typedef RBTIterator<T, Ref, Ptr> Self;
	Node* _node;
	Node* _root;

	//构造
	RBTIterator(Node* node, Node* root)
		:_node(node)
		,_root(root)
	{}

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)
		{
			//右不为空,右子树最左节点就是中序下一个
			Node* leftmost = _node->_right;
			while(leftmost->_left)
			{
				leftmost = leftmost->_left;
			}
			_node = leftmost;
		}
		else
		{
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent&& cur == parent->_right)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

	Self& operator--()
	{
		if (_node == nullptr)//end()
		{
			Node* rightmost = _root;
			while (rightmost && rightmost->_right)
			{
				rightmost = rightmost->_right;
			}
			_node = rightmost;
		}
		else if (_node->_left)
		{
			//左不为空,左子树最后一个节点就是上一个
			Node* rightmost = _node->_left;
			while (rightmost->_right)
			{
				rightmost = rightmost->_right;
			}
			_node = rightmost;
		}
		else
		{
			//左树为空,同侧父节点遍历完了
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_left)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

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

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


template<class K, class T, class KeyOfT >
class RBTree
{
	typedef RBTNode<T> Node;

public:
	typedef RBTIterator<T,T&,T*> Iterator;
	typedef RBTIterator<T, const T&, const T*> Const_Iterator;
	Iterator Begin()
	{
		Node* leftmost = _root;
		while (leftmost && leftmost->_left)
		{
			leftmost = leftmost->_left;
		}
		return Iterator(leftmost, _root);
	}
	Iterator End()
	{
		return Iterator(nullptr, _root);
	}

	Const_Iterator Begin() const
	{
		Node* leftmost = _root;
		while (leftmost && leftmost->_left)
		{
			leftmost = leftmost->_left;
		}
		return Const_Iterator(leftmost, _root);
	}
	Const_Iterator End() const
	{
		return Const_Iterator(nullptr, _root);
	}


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

	//赋值运算符重载
	void operator=(const RBTree<K, T, KeyOfT>& t)
	{
		RBTree<K, T> new_t(t);
		std::swap(new_t._root, _root);
	}

	//析构
	~RBTree()
	{
		Destroy(_root);
		_root = nullptr;
	}

	void Destroy(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return;
		Destroy(root->_left);
		Destroy(root->_right);
		delete root;
	}
	Node* Copy(const Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return nullptr;
		Node* newnode = new Node(root->kv);
		newnode->_left = Copy(root->_left);
		newnode->_right = Copy(root->_right);

		return newnode;
	}



	//插入
	pair<Iterator,bool> Insert(const T& data);

	//搜索
	Iterator Find(const K& key);

	//中序遍历
	void InOrder()
	{
		_InOrder(_root);
		cout << endl;
	}

	//树的高度
	int Height()
	{
		return _Height(_root);
	}

	//统计节点总个数(插入时可能会有重复数据)
	int Size()
	{
		return _Size(_root);
	}

	//判断黑节点是否符合规则
	bool IsBalance()
	{
		if (_root == nullptr)
			return true;

		if (_root->_col == RED)
			return false;

		int refNum = 0;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_col == BLACK)
			{
				++refNum;
			}
			cur = cur->_left;
		}
		return Check(_root, 0, refNum);
	}

private:

	bool Check(Node* root, int blackNum, const int refNum)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			cout << blackNum << endl;
			if (refNum != blackNum)
			{
				cout << "存在黑色节点的数量不相等的路径" << endl;
				return false;
			}
			return true;
		}

		if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED)
		{
			cout << root->_kv.first << "存在连续的红色节点" << endl;
			return false;
		}
		if (root->_col == BLACK)
		{
			blackNum++;
		}
		return Check(root->_left, blackNum, refNum) && Check(root->_right, blackNum, refNum);
	}

	//左单旋
	void RotateL(Node* parent);
	//右单旋
	void RotateR(Node* parent);


	//中序遍历(子函数)
	void _InOrder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return;

		_InOrder(root->_left);
		cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
		_InOrder(root->_right);
	}

	//树的高度
	int _Height(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return 0;
		int leftHeight = _Height(root->_left);
		int rightHeight = _Height(root->_right);
		return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;
	}

	//统计节点总个数(插入时可能会有重复数据)
	int _Size(Node* root)
	{
		return root == nullptr ? 0 : _Size(root->_left) + _Size(root->_right) + 1;
	}

private:
	Node* _root = nullptr;
};





//插入
template<class K, class T, class KeyOfT>
pair<typename RBTree<K, T, KeyOfT>::Iterator,bool> RBTree<K, T, KeyOfT>::Insert(const T& data)
{
	//链表为空特殊处理
	if (_root == nullptr)
	{
		_root = new Node(data, BLACK);
		return make_pair(Iterator(_root, _root), true);
	}

	KeyOfT kot;
	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (kot(cur->_data) < kot(data))
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_right;
		}
		else if (kot(cur->_data) > kot(data))
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_left;
		}
		else
			return make_pair(Iterator(cur, _root), false);
	}
	//需要插入一个新的红色节点
	cur = new Node(data);
	Node* newnode = cur;
	if (kot(cur->_data) < kot(parent->_data))
	{
		parent->_left = cur;
		cur->_parent = parent;
	}
	else
	{
		parent->_right = cur;
		cur->_parent = parent;
	}
	//判断是否需要对树进行调整
	while (parent && parent->_col==RED)//如果父节点颜色为红需要调整
	{
		Node* grandparent = parent->_parent;
		if (parent == grandparent->_left)	//叔叔在右
		{
			Node* uncle = grandparent->_right;
			
			if (uncle && uncle->_col == RED)	//当叔叔存在且为红时
			{
				parent->_col = uncle->_col = BLACK;
				grandparent->_col = RED;

				cur = grandparent;
				parent = grandparent->_parent;
			}
			else	//叔叔为黑或不存在
			{
				if (cur == parent->_left)//三节点同在左,右单旋
				{
					RotateR(grandparent);
					parent->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
				}
				else	//p节点在g左,cue节点在p右,左右双旋
				{
					RotateL(parent);
					RotateR(grandparent);
					cur->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;	
				}
				break;
			}
		}
		else	//叔叔在左
		{
			Node* uncle = grandparent->_left;

			if (uncle && uncle->_col == RED)	//当叔叔存在且为红时
			{
				parent->_col = uncle->_col = BLACK;
				grandparent->_col = RED;

				cur = grandparent;
				parent = grandparent->_parent;
			}
			else	//叔叔为黑或不存在
			{
				if (cur == parent->_right)//三节点同在右,左单旋
				{
					RotateL(grandparent);
					parent->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
				}
				else	//p节点在g右,cue节点在p左,右左双旋
				{
					RotateR(parent);
					RotateL(grandparent);
					cur->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
				}
				break;
			}
		}
	}
	_root->_col = BLACK;
	return make_pair(Iterator(newnode, _root), true);
}


//搜索
template<class K, class T, class KeyOfT>
typename RBTree<K, T, KeyOfT>::Iterator RBTree<K, T, KeyOfT>::Find(const K& key)
{
	KeyOfT kot;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (kot(cur->_data) < key)
		{
			cur = cur->_right;
		}
		else if (kot(cur->_data) > key)
		{
			cur = cur->_left;
		}
		else
		{
			return Iterator(cur,_root);
		}
	}
	return End();
}


//左单旋
template<class K, class T, class KeyOfT>
void RBTree<K, T, KeyOfT>::RotateL(Node* parent)
{
	Node* subR = parent->_right;
	Node* subRL = parent->_right->_left;

	//修改向下链接内容
	parent->_right = subRL;
	subR->_left = parent;
	//修改向上链接内容
	subR->_parent = parent->_parent;
	parent->_parent = subR;
	if (subRL)//防止该树点为空
	{
		subRL->_parent = parent;
	}

	//parent的parent向下链接
	Node* parentParent = subR->_parent;
	if (parentParent == nullptr)//整棵树的根
	{
		_root = subR;
	}
	else
	{
		if (parent == parentParent->_right)
		{
			parentParent->_right = subR;
		}
		else
		{
			parentParent->_left = subR;
		}
	}
}

//右单旋
template<class K, class V, class KeyOfT>
void RBTree<K, V, KeyOfT>::RotateR(Node* parent)
{
	Node* subL = parent->_left;
	Node* subLR = subL->_right;

	//修改向下链接内容
	parent->_left = subLR;
	subL->_right = parent;
	//修改向上链接属性
	subL->_parent = parent->_parent;
	parent->_parent = subL;
	if (subLR)
	{
		subLR->_parent = parent;
	}
	//修改parentParent
	Node* parentParent = subL->_parent;
	if (parentParent == nullptr)
	{
		_root = subL;
	}
	else
	{
		if (parent == parentParent->_right)
		{
			parentParent->_right = subL;
		}
		else
		{
			parentParent->_left = subL;

		}
	}
}

Myset.h

#include"RBTree.h"

namespace atl
{
	template <class K>
	class set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::Iterator iterator;
		typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::Const_Iterator cosnt_iterator;
		iterator begin()
		{
			return _t.Begin();
		}
		iterator end()
		{
			return _t.End();
		}
		cosnt_iterator begin()const
		{
			return _t.Begin();
		}
		cosnt_iterator end()const
		{
			return _t.End();
		}

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

		iterator find(const K& key)
		{
			return _t.Find(key);
		}

	private:
		RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
	};

}

Mymap.h

#include"RBTree.h"

namespace atl
{
	template <class K,class V>
	class map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::Iterator iterator;
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::Const_Iterator const_iterator;
		iterator begin()
		{
			return _t.Begin();
		}
		iterator end()
		{
			return _t.End();
		}
		const_iterator begin()const
		{
			return _t.Begin();
		}
		const_iterator end()const
		{
			return _t.End();
		}

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

		iterator find(const K& key)
		{
			return _t.Find(key);
		}

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

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

}

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