C/C++进阶 （8）哈希表（STL）

news2024/9/9 0:33:35

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专题分栏：C++

本文着重于模拟实现哈希表，并非是哈希表的使用。

实现的哈希表的底层用的是线性探测法，并非是哈希桶。

目录

一、标准库中的哈希表

1、unordered_map

2、unordered_set

二、模拟实现哈希表

1、结构

2、注解hashtable的模板参数：

3、重难点

1、二元“!=” 没有找到接收类型的右操作数的运算符​编辑

2、迭代器的本质、const和非const的区别

3、类A在类B的上面，想要在类A中使用以类B为类型的变量，怎么办？

4、类A在类B的上面，想要在类A中使用类B的私有成员，怎么办？

三、代码

一、标准库中的哈希表

这两个是两种不同映射关系的哈希表。

unordered_map：是 Key - Value 的映射关系 （也就是 关键字和键值 之间的映射）

unordered_set：是 Value 的映射关系（也就是只有 键值 的映射）

这两种不同的映射关系从各自的模板参数就能看出来。

1、unordered_map

unordered_map又分为两种，一种是unordered_map，另一种是unordered_multimap。

这两种有什么区别呢？

以unordered_map为例：

这里面的模板参数 Key - T 就是这个容器存储的键值关系。

2、unordered_set

同样：unordered_set又分为两种，一种是unordered_set，另一种是unordered_multiset。

这两个的区别和unordered_map中两个的区别一样。

二、模拟实现哈希表

1、结构

在模拟实现哈希表前，我们要知道整个实现的结构，要有完整性的认识。

这个就是哈希表的大致底层结构。

2、注解hashtable的模板参数：

  • Key：是上层结构（也就是unordered_set、unordered_map）的关键字。
  • T：是存的关键字和键值的映射。

（也就是unordered_set：pair<Key, Key>；unordered_map:pair<Key, Vaule>）

  • Ptr是T*。
  • Ref是T&。
  • KeyofT是一个仿函数，用来取T的Key。因为在这一层也不知道上一层是unordered_set、unordered_map，所以还需要传一个仿函数来进行取值。
  • hashfunc是一个仿函数，用来计算hash映射值。

对于一个整数，怎么存储到哈希表里？需要对其进行hash计算，将这个整数取模于表的大小得到。

对于一个字符串，怎么存储到哈希表里？需要对其进行hash计算，将这个字符串转换成整数，然后将这个整数取模于表的大小得到下标。

如果得到的下标冲突了，就用哈希线性探测法解决冲突。

3、重难点

写完不算难，难的是找bug。

1、二元“!=” 没有找到接收类型的右操作数的运算符

类型不匹配，你可以去你出错的位置看看该类型的模板参数的类型匹不匹配。

2、迭代器的本质、const和非const的区别

迭代器就是模拟的指针的行为。

const迭代器和非const迭代器的区别就是限制其*和->运算符的返回值。

3、类A在类B的上面，想要在类A中使用以类B为类型的变量，怎么办？

在类A的前面加上类B的前置声明即可。

4、类A在类B的上面，想要在类A中使用类B的私有成员，怎么办？

在类B中加上类A的友元。

三、代码

hash.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
using namespace std;
enum  State
{
	Empty,
	Exist,
	Delete
};
// hash_func ---> 用来对任意类型进行编码
template<class T>
struct hash_func
{
	size_t operator()(const T& _val)
	{
		return (size_t)_val;
	}
};
// 对string类型进行特化
template<>
struct hash_func<string>
{
	size_t operator()(const string& val)
	{
		size_t hash = 0;
		
		for (auto e : val)
		{
			hash *= 131;
			hash += e;
		}
		return hash;
	}
};

// 闭散列 --- 线性探测
// 这里的 T 是 K or pair<K, V>
template <class T>
struct HashNode
{
	HashNode() {}
	HashNode(const HashNode&) = default;
	HashNode(const T& data, const State& state)
		:_data(data)
		,_state(state)
	{}
	T _data;
	State _state = Empty;

};

template <class K, class V, class Ptr, class Ref, class KeyofT, class HashFunc>
class HashTable;

template<class K, class T, class Ptr, class Ref, class KeyofT>
struct HashTable_iterator
{
	typedef HashNode<T> HashNode;
	typedef HashTable_iterator<K, T, Ptr, Ref, KeyofT> iterator;

	typedef HashTable<K, T, Ptr, Ref, KeyofT, hash_func<K>> hashtable;
	HashNode* _node;
	hashtable* _pht;

	KeyofT kot;
	hash_func<K> hs;
	HashTable_iterator(HashNode* node, hashtable* pht)
		:_node(node)
		, _pht(pht)
	{}
	bool operator!=(const iterator s)
	{
		return _node != s._node;
	}
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	Ptr operator->()
	{
		return &(_node->_data);
	}
	
	iterator& operator++()
	{
		int hashindex = 0;
		for (int i = 0; i < _pht->_tables.size(); i++)
		{
			// 找到当前节点的位置，寻找下一个节点的位置
			if (_pht->_tables[i] == _node)
			{
				hashindex = i;
				break;
			}
		}
		for (int i = hashindex + 1; i < _pht->_tables.size(); i++)
		{
			if (_pht->_tables[i] && _pht->_tables[i]->_state == Exist)
			{
				_node = _pht->_tables[i];
				return *this;
			}
		}
		_node = nullptr;
		return *this;
	}
};

template <class K, class V, class Ptr, class Ref, class KeyofT, class HashFunc = hash_func<K>>
class HashTable
{
	typedef HashNode<V> hashnode;
	typedef HashTable<K, V, Ptr, Ref, KeyofT, hash_func<K>> hashtable;

	template<class K, class T, class Ptr, class Ref, class KeyofT>
	friend struct HashTable_iterator;

	typedef HashTable_iterator<K, V, Ptr, Ref, KeyofT> iterator;

public:
	hash_func<K> hf;
	KeyofT kot;
	HashTable(size_t n = 10)
		:_size(0)
	{
		_tables.resize(n);
	}
	iterator begin()
	{
		for (int i = 0; i < _tables.size(); i++)
		{
			hashnode* cur = _tables[i];
			if (cur && cur->_state == Exist)
			{
				// this -> HashTable*
				return iterator(cur, this);
			}
		}
		return end();
	}
	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr, this);
	}
	
	// V : V or pair<K, V>
	pair<iterator, bool> insert(const V& e)
	{
		iterator it = find(kot(e));
		if (it != end())
		{
			return make_pair(it, false);
		}
		if (_size * 10 / _tables.size() >= 7)
		{
			hashtable newt(_tables.size() * 2);
			for (int i = 0; i < _tables.size(); i ++ )
			{
				if (_tables[i]->_state == Exist)
				{
					newt.insert(_tables[i]->_data);
				}
			}
			_tables.swap(newt._tables);
		}

		size_t hashindex = hf(kot(e)) % _tables.size();

		while (_tables[hashindex] && _tables[hashindex]->_state == Exist)
		{
			hashindex++;
			hashindex %= _tables.size();
		}

		hashnode* newnode = new hashnode(e, Exist);
		swap(_tables[hashindex], newnode);
		delete newnode;

		_size++;
		return make_pair(iterator(_tables[hashindex], this), true);
	}

	iterator find(const K& key)
	{
		size_t hashindex = hf(key)% _tables.size();

		while (_tables[hashindex] && _tables[hashindex]->_state != Empty)
		{
			if (_tables[hashindex]->_state == Exist
				&& kot(_tables[hashindex]->_data) == key)
			{
				return iterator(_tables[hashindex], this);
			}
			++hashindex;
			hashindex %= _tables.size();
		}

		return iterator(nullptr, this);
	}
	bool erase(const K& key)
	{
		iterator t = find(key);

		if (t._node == nullptr) return false;
		else
		{
			t._node->_state = Delete;
			--_size;
		}
		return true;
	}
private:
	vector<hashnode*> _tables;
	size_t _size;
};

unordered_map.h

#pragma once

#include "hash.h"

template<class K, class V>
class unordered_map
{
	struct MapKeyofT
	{
		const K& operator()(const pair<const K, V>& key)
		{
			return key.first;
		}
	};
public:
	typedef HashTable<K, pair<const K, V>, pair<const K, V>*, pair<const K, V>&, MapKeyofT, hash_func<K>> HashTable;
	typedef HashNode<pair<const K, V>> HashNode;
	
	typedef HashTable_iterator<K, pair<const K, V>, pair<const K, V>*, pair<const K, V>&, MapKeyofT> iterator;

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

	pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
	{
		return _ht.insert(kv);
	}
	iterator find(const K& key)
	{
		return _ht.find(key);
	}
	bool erase(const K& key)
	{
		return _ht.erase(key);
	}
	V& operator[](const K& key)
	{
		pair<K, V> pkv = make_pair(key, V());
		pair<iterator, bool> ret = insert(pkv);
		return ret.first->second;
	}
private:
	HashTable _ht;
};

//void map01()
//{
//	unordered_map<int, int> s1;
//	vector<int> v = { 1, 8, 34, 5, 3, 4, 8, 1111, 111, 11 };
//
//	for (auto e : v)
//	{
//		s1.insert({e, e});
//	}
//
//	s1.erase(1111);
//	s1.erase(8);
//}
//
//void map02()
//{
//	unordered_map<string, int> s1;
//	vector<string> v = { "1234", "233", "a", "b", "1234", "233", "a", "b" };
//
//	for (auto e : v)
//	{
//		s1.insert({e, 1});
//	}
//
//	s1.erase("1234");
//	s1.erase("8");
//}

unordered_set.h

#pragma once

#include "hash.h"

template<class K>
class unordered_set
{
	struct SetKeyofT
	{
		const K& operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};
public:
	typedef HashTable<K, K, const K*, const K&, SetKeyofT, hash_func<K>> HashTable;
	typedef HashNode<K> HashNode;
	typedef HashTable_iterator<K, K, const K*, const K&, SetKeyofT> iterator;


	iterator begin()
	{
		return _ht.begin();
	}
	iterator end()
	{
		return _ht.end();
	}
	pair<iterator, bool> insert(const K& val)
	{
		return _ht.insert(val);
	}
	iterator find(const K& key)
	{
		return _ht.find(key);
	}
	bool erase(const K& key)
	{
		return _ht.erase(key);
	}
private:
	HashTable _ht;
};

//void set01()
//{
//	unordered_set<int> s1;
//	vector<int> v = { 1, 8, 34, 5, 3, 4, 8, 1111, 11, 11};
//
//	for (auto e : v)
//	{
//		s1.insert(e);
//	}
//
//	s1.erase(1111);
//}
//void set02()
//{
//	unordered_set<string> s;
//	vector<string> v = { "1234", "233", "a", "b" };
//
//	for (auto e : v)
//	{
//		s.insert(e);
//	}
//
//	s.erase("1111");
//	s.erase("1234");
//}

谢谢大家！

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