C++STL——map与set的模拟实现

news2024/9/20 18:43:58

map与set的模拟实现

  • map与set的部分源码参考
  • 改造红黑树
  • 红黑树的迭代器
  • 补全set与map的实现
  • 完整代码

map与set的部分源码参考

map和set的底层都是由红黑树实现的。
所以这里将上次实现的红黑树插入拿来用。
首先想一想，搜索二叉树不能修改值，因为会破坏整棵树的平衡。
set与map的部分源码：

class set {
public:
  // typedefs:

  typedef Key key_type;
  typedef Key value_type;
  typedef Compare key_compare;
  typedef Compare value_compare;
private:
  typedef rb_tree<key_type, value_type, //set这里传了一个K，一个V
                  identity<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
  rep_type t;  // red-black tree representing set

template <class Key, class T, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>

class map {
public:

// typedefs:

  typedef Key key_type;
  typedef T data_type;
  typedef T mapped_type;
  typedef pair<const Key, T> value_type;
private:
  typedef rb_tree<key_type, value_type, //map这里传了一个K，一个V
                  select1st<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
  rep_type t;  // red-black tree representing map

这个是红黑树的部分源码：

template <class Key, class Value, class KeyOfValue, class Compare,class Alloc = alloc>
class rb_tree {
protected:
  typedef void* void_pointer;
  typedef __rb_tree_node_base* base_ptr;
  typedef __rb_tree_node<Value> rb_tree_node;
public:
  typedef rb_tree_node* link_type;
protected:
  size_type node_count; // keeps track of size of tree
  link_type header;  
  Compare key_compare;

set要传入到红黑树的Value的值是K,map要传入的值是pair<const K,V>
那么，这里完全可以区分传入的是set还是map，为什么要给红黑树传入第一个模板参数呢？
第一个模板参数是用来查找的，因为无论是set还是map都是用kay去查找的。

改造红黑树

这是红黑树的结点：

enum Color//利用枚举来给红黑树配色
{
	RED,
	BLACK
};
template<class T>
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode(const T& data)//让红黑树的结点变成一个模板就行了，因为有可能是set有可能是map
		:_data(data)
		, _color(RED)//这里一定要给红色，如果给黑色其他路径就要涉及到也要加黑色结点，更加麻烦
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
	{}

	RBTreeNode* _left;
	RBTreeNode* _right;
	RBTreeNode* _parent;
	T _data;
	Color _color;//结点的配色
};

namespace baiye
{
	template<class K>
	class set
	{
	public:

	private:
		RBTree<K, K> _t;//K模型
	};
}

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

	private:
		RBTree<K, pair<const K, V>> _p;//KV模型
	};
}

然后我们发现，后面的插入这里调用出现了问题：
在这里插入图片描述
原来写的是VK模型，但是现在set是K模型，要兼容两个模型。
让我们来看看源码是怎么做的：
在这里插入图片描述
源码这里多了一个模板参数，意思是将key取出来比较大小。
这里可以写两个仿函数用：

namespace baiye
{
	template<class K>
	class set
	{
		struct setKeyOFV
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		bool insert(const K& key)
		{
			return _t.Insert(key);
		}
	private:
		RBTree<K, K, setKeyOFV> _t;
	};
}

namespace baiye
{
	template<class K, class V>
	class map
	{
		struct mapKeyOFV
		{
			const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		bool insert(const pair<const K, V>& kv)
		{
			return _p.Insert(kv);
		}
	private:
		RBTree<K, pair<const K, V>, mapKeyOFV> _p;
	};
}

红黑树的迭代器

先来实现*与->：

template<class T>
struct RBTreeIterator
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	Node* _node;
	RBTreeIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

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

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

迭代器难的是++和- -操作：
原来stl中的红黑树其实有一个哨兵位的头结点：
在这里插入图片描述
哨兵位中还有两个指针分别指向红黑树中的最小值和最大值，但是这里我并没有去实现这个哨兵位，所以就用另一种方法。
首先先给红黑树加begin和end函数：

	iterator begin()
	{
		Node* cur = _root;
		while (cur && cur->left)
		{
			cur = cur->_left;
		}
		return iterator(cur);
	}
	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr);
	}

然后是++，++是要走中序遍历的，我们要采用迭代的方式，以前要借助一个队列来进行中序遍历的方法进行++。
在这里插入图片描述
假设我们传入的迭代器的结点是8结点，那么下一个结点就是10号结点，也就是8号结点的右子树最小结点。
那么如果右为空呢？
右子树为空就说明不需要去右子树找了，需要向上找节点，假设是这样子的：
在这里插入图片描述
it指向5结点，发现右为空，那就向上走，走到6结点发现右不为空然后走到7结点，7结点右为空就要继续往上走，这个时候不应该走到6结点的位置，应该是8结点的位置。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
假设这里再多出一个结点：
在这里插入图片描述
那么他的右为空也不能再走到7结点的位置了。
在这里插入图片描述
所以我们能总结出来一个规律。

右不为空就去找右子树的最小节点。
右为空就去找祖先（孩子为父节点的左的那个祖先）

如果是it在15结点这个位置，往上走没有遇到符合祖先的位置，并且已经走到空了，那就代表已经结束了。

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)//右子树不为空
		{
			Node* cur = _node->_right;
			while (cur->_left)
			{
				cur = cur->_left;
			}
			_node = cur;
		}
		else//左子树为空
		{
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && parent->_left != cur)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}

然后来实现- -逻辑：

	Self& operator--()
	{
		if (_node->_left)//左子树不为空
		{
			Node* cur = _node->_left;
			while (cur && cur->_right)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			_node = cur;
		}
		else
		{
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur != parent->_right)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}

补全set与map的实现

set当中的值是不允许被修改的。
这里我们就要实现const版本的迭代器：

template<class T,class Ref, class Ptr>
struct RBTreeIterator//红黑树的迭代器
{
	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;
	}

先将这两个函数变成能兼容const和非const版本。
看一下set源码是怎么定义迭代器的：
在这里插入图片描述

那么set当中就算是非const版本的迭代器也不能修改值：

	template<class K>
	class set
	{
		struct setKeyOFV
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, K, setKeyOFV>::const_iterator iterator;//这里无论是非const迭代器也不能修改set的值，所以要变成const版本
		typedef typename RBTree<K, K, setKeyOFV>::const_iterator const_iterator;
		iterator begin()
		{
			return _t.begin();
		}
		iterator end()
		{
			return _t.end();
		}
		bool insert(const K& key)
		{
			return _t.Insert(key);
		}
	private:
		RBTree<K, K, setKeyOFV> _t;
	};

但是我们的begin函数和end函数的返回值和重命名的迭代器类型已经不相同了。
所以看看set源码是如何做到的：
在这里插入图片描述
后面加了一个const就解决了问题，因为权限可以缩小，传入的就算是非const版本也可以。
在set的begin与end中加了个const就说明要去调用const版本的begin与end，所以在树那里也要实现const版本的begin与end。

template<class K, class T, class KeyOFV>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
public:
	typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
	typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

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

然后来实现map的const版本的迭代器：
先看看源码：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

	template<class K, class V>
	class map
	{
		struct mapKeyOFV
		{
			const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, mapKeyOFV>::iterator iterator;
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, mapKeyOFV>::const_iterator const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return _p.begin();
		}
		iterator end()
		{
			return _p.end();
		}
		const_iterator begin()const
		{
			return _p.begin();
		}
		const_iterator end()const
		{
			return _p.end();
		}
		bool insert(const pair<const K, V>& kv)
		{
			return _p.Insert(kv);
		}
	private:
		RBTree<K, pair<const K, V>, mapKeyOFV> _p;
	};

然后就是[]重载了：
这里首先要改插入的返回值和返回类型。

	pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
	{
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_color = BLACK;
			return make_pair(iterator(_root), true);
		}
		Node* cur = _root;
		Node* parent = nullptr;
		KeyOFV kot;//仿函数对象
		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
			{
				return make_pair(iterator(cur), false);
			}
		}
		cur = new Node(data);//这里默认是红色结点
		Node* newnode = cur;//因为cur会变位置，所以储存一下新节点
		if (kot(parent->_data) > kot(data))
		{
			cur->_parent = parent;
			parent->_left = cur;
		}
		else if (kot(parent->_data) < kot(data))
		{
			cur->_parent = parent;
			parent->_right = cur;
		}
		//如果父节点为空就代表cur是根节点，没必要调整了
		//还要判断cur结点是否与父节点的颜色均为红色
		while (parent && parent->_color == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;//祖父结点
			if (parent == grandfather->_left)//新增结点在祖父左
			{
				Node* uncle = grandfather->_right;
				//情况一
				if (uncle && uncle->_color == RED)//这里不要忘记验证uncle的存在
				{
					parent->_color = BLACK;
					uncle->_color = BLACK;
					grandfather->_color = RED;
					cur = grandfather;//最后让cur等于祖父结点的位置
					parent = cur->_parent;
				}
				else
				{
					if (parent->_left == cur)//情况二
					{
						RotateR(grandfather);//右单旋
						grandfather->_color = RED;
						parent->_color = BLACK;
					}
					else if (parent->_right == cur)//情况三
					{
						RotateL(parent);//左单旋
						RotateR(grandfather);//右单旋
						cur->_color = BLACK;
						grandfather->_color = RED;
					}
					break;//第二种和第三种情况变完之后因为最上面的组节点变为黑，所以这里跳出循环
				}
			}
			else//新增结点在祖父右
			{
				Node* uncle = grandfather->_left;
				if (uncle && uncle->_color == RED)//情况一
				{
					uncle->_color = BLACK;
					parent->_color = BLACK;
					grandfather->_color = RED;
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else {
					if (cur == parent->_right)//情况二
					{
						RotateL(grandfather);
						grandfather->_color = RED;
						parent->_color = BLACK;
					}
					else if (cur == parent->_left)//情况三
					{
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						cur->_color = BLACK;
						grandfather->_color = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}
		_root->_color = BLACK;
		return make_pair(iterator(newnode), true);
	}

[]在map中重载即可：

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

因为树种插入的函数改变了返回值，所以set与map的插入调用函数也要改变返回值，但是set当中插入的返回值是非const类型：
在这里插入图片描述
这里看看源码是如何解决的：
在这里插入图片描述
这里使用了rep_type类型去接收，然后再用p去重新构造一个pair<iterator, bool>类型。
在这里插入图片描述
这是构造，为了解决非const的迭代器不能拷贝给const迭代器的问题。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

完整代码

RBTree.h

#include<iostream>
#include<cassert>
using namespace std;
enum Color//利用枚举来给红黑树配色
{
	RED,
	BLACK
};
template<class T>
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode(const T& data)
		:_data(data)
		, _color(RED)//这里一定要给红色，如果给黑色其他路径就要涉及到也要加黑色结点，更加麻烦
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
	{}

	RBTreeNode* _left;
	RBTreeNode* _right;
	RBTreeNode* _parent;
	T _data;
	Color _color;//结点的配色
};
template<class T,class Ref, class Ptr>
struct RBTreeIterator//红黑树的迭代器
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;
	typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
	Node* _node;
	RBTreeIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	//普通迭代器传给普通迭代器用的是默认生成的拷贝构造
	//当迭代器是const的时候用的就是普通迭代器构造的const迭代器
	RBTreeIterator(const iterator& s)
		:_node(s._node)
	{}
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}
	Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)//右子树不为空
		{
			Node* cur = _node->_right;
			while (cur->_left)
			{
				cur = cur->_left;
			}
			_node = cur;
		}
		else//左子树为空
		{
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && parent->_left != cur)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}
	Self& operator--()
	{
		if (_node->_left)//左子树不为空
		{
			Node* cur = _node->_left;
			while (cur && cur->_right)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			_node = cur;
		}
		else
		{
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur != parent->_right)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}
	bool operator!=(const Self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}

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

template<class K, class T, class KeyOFV>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
public:
	typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
	typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

	iterator begin()
	{
		Node* cur = _root;
		while (cur && cur->_left)
		{
			cur = cur->_left;
		}
		return iterator(cur);
	}
	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr);
	}
	const_iterator begin()const
	{
		Node* cur = _root;
		while (cur && cur->_left)
		{
			cur = cur->_left;
		}
		return const_iterator(cur);
	}
	const_iterator end()const
	{
		return const_iterator(nullptr);
	}
	pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
	{
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_color = BLACK;
			return make_pair(iterator(_root), true);
		}
		Node* cur = _root;
		Node* parent = nullptr;
		KeyOFV kot;//仿函数对象
		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
			{
				return make_pair(iterator(cur), false);
			}
		}
		cur = new Node(data);//这里默认是红色结点
		Node* newnode = cur;//因为cur会变位置，所以储存一下新节点
		if (kot(parent->_data) > kot(data))
		{
			cur->_parent = parent;
			parent->_left = cur;
		}
		else if (kot(parent->_data) < kot(data))
		{
			cur->_parent = parent;
			parent->_right = cur;
		}
		//如果父节点为空就代表cur是根节点，没必要调整了
		//还要判断cur结点是否与父节点的颜色均为红色
		while (parent && parent->_color == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;//祖父结点
			if (parent == grandfather->_left)//新增结点在祖父左
			{
				Node* uncle = grandfather->_right;
				//情况一
				if (uncle && uncle->_color == RED)//这里不要忘记验证uncle的存在
				{
					parent->_color = BLACK;
					uncle->_color = BLACK;
					grandfather->_color = RED;
					cur = grandfather;//最后让cur等于祖父结点的位置
					parent = cur->_parent;
				}
				else
				{
					if (parent->_left == cur)//情况二
					{
						RotateR(grandfather);//右单旋
						grandfather->_color = RED;
						parent->_color = BLACK;
					}
					else if (parent->_right == cur)//情况三
					{
						RotateL(parent);//左单旋
						RotateR(grandfather);//右单旋
						cur->_color = BLACK;
						grandfather->_color = RED;
					}
					break;//第二种和第三种情况变完之后因为最上面的组节点变为黑，所以这里跳出循环
				}
			}
			else//新增结点在祖父右
			{
				Node* uncle = grandfather->_left;
				if (uncle && uncle->_color == RED)//情况一
				{
					uncle->_color = BLACK;
					parent->_color = BLACK;
					grandfather->_color = RED;
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else {
					if (cur == parent->_right)//情况二
					{
						RotateL(grandfather);
						grandfather->_color = RED;
						parent->_color = BLACK;
					}
					else if (cur == parent->_left)//情况三
					{
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						cur->_color = BLACK;
						grandfather->_color = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}
		_root->_color = BLACK;
		return make_pair(iterator(newnode), true);
	}
	void RotateL(Node* parent)//左单旋
	{
		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)
		{
			if (pparent->_left == parent)
				pparent->_left = subR;
			else
				pparent->_right = subR;
		}
		else
		{
			_root = subR;

		}
		subR->_parent = pparent;
	}
	void RotateR(Node* parent)//右单旋
	{
		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)
		{
			if (pparent->_left == parent)
				pparent->_left = subL;
			else
				pparent->_right = subL;
		}
		else
		{
			_root = subL;
		}
		subL->_parent = pparent;
	}
	void Inorder()
	{
		_Inorder(_root);
	}
	bool IsBalanceTree()
	{
		if (_root == nullptr)
			return true;
		if (_root->_color != BLACK)
		{
			cout << "根不为黑色" << endl;
			return false;
		}
		int count = 0;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_color == BLACK)
				count++;
			cur = cur->_left;//找一条路径上的黑节点
		}
		_IsBalanceTree(_root, 0, count);
	}
private:
	bool _IsBalanceTree(Node* root, int k, int sum)//验证
	{
		if (root == nullptr)
		{
			if (k == sum)//这里代表当前路径点和最左边的路径点相同
				return true;
			else
			{
				cout << "每条路径上黑色结点数量不同" << endl;
			}
			return false;
		}
		if (root->_color == BLACK)
			k++;
		if (root->_parent && root->_parent->_color == RED && root->_color == RED)
		{
			cout << root->_parent->_data.first << endl;
			return false;
		}
		return _IsBalanceTree(root->_left, k, sum) && _IsBalanceTree(root->_right, k, sum);
	}
	void _Inorder(Node* _root)
	{
		if (_root == nullptr)
			return;
		_Inorder(_root->_left);
		cout << _root->_data.first << ":" << _root->_data.second << endl;
		_Inorder(_root->_right);

	}
	Node* _root = nullptr;
};

set.h

#include"RBTree.h"

namespace baiye
{
	template<class K>
	class set
	{
		struct setKeyOFV
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, K, setKeyOFV>::const_iterator iterator;//这里无论是非const迭代器也不能修改set的值，所以要变成const版本
		typedef typename RBTree<K, K, setKeyOFV>::const_iterator const_iterator;
		iterator begin()const
		{
			return _t.begin();
		}
		iterator end()const
		{
			return _t.end();
		}
		pair<iterator, bool> insert(const K& key)
		{
			pair<typename RBTree<K, K, setKeyOFV>::iterator, bool> it = _t.Insert(key);//这里接收的是普通迭代器
			return pair<iterator, bool>(it.first, it.second);//这里用普通迭代器构造const迭代器
		}
	private:
		RBTree<K, K, setKeyOFV> _t;
	};
	void settest()
	{
		int arr[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15 };
		set<int>s;
		for (auto& e : arr)
		{
			s.insert(e);
		}
		set<int>::iterator it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

map.h

#include"RBTree.h"

namespace baiye
{
	template<class K, class V>
	class map
	{
		struct mapKeyOFV
		{
			const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, mapKeyOFV>::iterator iterator;
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, mapKeyOFV>::const_iterator const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return _p.begin();
		}
		iterator end()
		{
			return _p.end();
		}
		const_iterator begin()const
		{
			return _p.begin();
		}
		const_iterator end()const
		{
			return _p.end();
		}
		pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
		{
			return _p.Insert(kv);
		}
		V& operator[](const K& key)
		{
			pair<iterator, bool> it = insert(make_pair(key, V()));
			return it.first->second;
		}
	private:
		RBTree<K, pair<const K, V>, mapKeyOFV> _p;
	};
	void maptest()
	{
		int arr[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
		map<int, int> m;
		for (auto& e : arr)
		{
			m.insert(make_pair(e, e));
		}
		map<int, int>::iterator it = m.begin();
		while (it != m.end())
		{
			cout << it->first << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

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