【视频+文字讲解】C++那些事之彻底搞懂STL HashTable

news2024/11/23 8:26:59

C++那些事之彻底搞懂STL HashTable

  • C++那些事之彻底搞懂STL HashTable

  • 1.常用容器

    • 1.1 接口层

  • 2.HashTable原理

    • 2.1 _Hash_node结构

    • 2.2 hashtable实现

    • 2.3 如何确定桶？

    • 2.4 如何确定在桶中的位置？

  • 3.Rehash

    • 3.1 计算新桶大小

    • 3.2 判断是否需要rehash

    • 3.3 rehash

最近的繁星计划有一个task是阅读hashtable源码，看到一些朋友的提问，这里将总结一些面试常考点，以及看完hashtable你必须要掌握的几点内容。

  • unordered_xxx容器的h1、h2分别是什么？分别在什么场景下使用，在代码当中是如何使用的？起了什么作用？

  • unordered_xxx在hashtable中存储的key、value分别是什么？

  • hashtable的_Hash_node里面存储的是什么？key？value？还是？

  • hashtable的底层算法逻辑是？桶？怎么设计？

  • 桶的扩容机制是什么？

  • rehash是干什么用的，什么场景下触发？

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对应的视频教程：5c390036805a9753b200077c894caed8.jpeg

注：期待更多内容，欢迎加入知识星球呀~4bce90788dacfd9f633473ddcbf128a2.jpeg

1.常用容器

  • unordered_map

  • unordered_multimap

  • unordered_set

  • unordered_multiset

1.1 接口层

// unordered_map
template<typename _Key,
   typename _Tp,
   typename _Hash = hash<_Key>,
   typename _Pred = std::equal_to<_Key>,
   typename _Alloc = std::allocator<std::pair<const _Key, _Tp> >,
   typename _Tr = __umap_traits<__cache_default<_Key, _Hash>::value>>
  using __umap_hashtable = _Hashtable<_Key, std::pair<const _Key, _Tp>,
                                      _Alloc, __detail::_Select1st,
              _Pred, _Hash,
              __detail::_Mod_range_hashing,
              __detail::_Default_ranged_hash,
              __detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;

// unordered_multimap.
template<typename _Key,
   typename _Tp,
   typename _Hash = hash<_Key>,
   typename _Pred = std::equal_to<_Key>,
   typename _Alloc = std::allocator<std::pair<const _Key, _Tp> >,
   typename _Tr = __ummap_traits<__cache_default<_Key, _Hash>::value>>
  using __ummap_hashtable = _Hashtable<_Key, std::pair<const _Key, _Tp>,
         _Alloc, __detail::_Select1st,
         _Pred, _Hash,
         __detail::_Mod_range_hashing,
         __detail::_Default_ranged_hash,
         __detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;

// unordered_set
  template<typename _Value,
    typename _Hash = hash<_Value>,
    typename _Pred = std::equal_to<_Value>,
      typename _Alloc = std::allocator<_Value>,
    typename _Tr = __uset_traits<__cache_default<_Value, _Hash>::value>>
    using __uset_hashtable = _Hashtable<_Value, _Value, _Alloc,
     __detail::_Identity, _Pred, _Hash,
     __detail::_Mod_range_hashing,
     __detail::_Default_ranged_hash,
     __detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;
// unordered_multiset
  template<typename _Value,
    typename _Hash = hash<_Value>,
    typename _Pred = std::equal_to<_Value>,
    typename _Alloc = std::allocator<_Value>,
    typename _Tr = __umset_traits<__cache_default<_Value, _Hash>::value>>
    using __umset_hashtable = _Hashtable<_Value, _Value, _Alloc,
      __detail::_Identity,
      _Pred, _Hash,
      __detail::_Mod_range_hashing,
      __detail::_Default_ranged_hash,
      __detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;

对应到_Hashtable类：

template<typename _Key, typename _Value, typename _Alloc,
    typename _ExtractKey, typename _Equal,
    typename _H1, typename _H2, typename _Hash,
    typename _RehashPolicy, typename _Traits>
    class _Hashtable

我们把上面的模版参数一个个对应上。

容器类_Key_Value_Alloc_ExtractKey_Equal_H1_H2_Hash_RehashPolicy_Traits
unordered_map_Keystd::pair<const _Key, _Tp>std::allocator<std::pair<const _Key, _Tp>>__detail::_Select1ststd::equal_to<_Key>std::hash<_Key>__detail::_Mod_range_hashing__detail::_Default_ranged_hash__detail::_Prime_rehash_policy__umap_traits
unordered_multimap_Keystd::pair<const _Key, _Tp>std::allocator<std::pair<const _Key, _Tp>>__detail::_Select1ststd::equal_to<_Key>std::hash<_Key>__detail::_Mod_range_hashing__detail::_Default_ranged_hash__detail::_Prime_rehash_policy__ummap_traits
unordered_set_Value_Valuestd::allocator<_Value>__detail::_Identitystd::equal_to<_Value>std::hash<_Value>__detail::_Mod_range_hashing__detail::_Default_ranged_hash__detail::_Prime_rehash_policy__uset_traits
unordered_multiset_Value_Valuestd::allocator<_Value>__detail::_Identitystd::equal_to<_Value>std::hash<_Value>__detail::_Mod_range_hashing__detail::_Default_ranged_hash__detail::_Prime_rehash_policy__umset_traits

上表中列出的模板参数包括：

  • _Key：关联容器中的键类型。

  • _Value：关联容器中的值类型。

  • _Alloc：用于内存分配的分配器类型。

  • _ExtractKey：从键值对中提取键的函数对象类型。

  • _Equal：判断键是否相等的函数对象类型。

  • _H1：第一个哈希函数对象类型。

  • _H2：第二个哈希函数对象类型。

  • _Hash：哈希函数对象类型。

  • _RehashPolicy：重新哈希策略类型。

  • _Traits：特定容器特性的类型。

注意：_Hash是在无缓存hashcode情况下去使用，参考：

struct _Hash_code_base<_Key, _Value, _ExtractKey, _H1, _H2, _Hash, false>

2.HashTable原理

2.1 _Hash_node结构

在_Hashtable类中有一个__node_type，这个对应_Hash_node。

using __node_type = __detail::_Hash_node<_Value, __hash_cached::value>;

_Hash_node有两个：

  • 存储hashcode

  • 不存储hashcode

+-----------------------------------+
|         _Hash_node_base            |
+-----------------------------------+
| - next: _Hash_node*                |
+-----------------------------------+

              ^
              |
              |

+-----------------------------------+
|         _Hash_node_value_base     |
+-----------------------------------+
| - _M_storage: __aligned_buffer<_Value> |
+-----------------------------------+
| + _M_valptr(): _Value*             |
| + _M_valptr() const: const _Value* |
| + _M_v(): _Value&                  |
| + _M_v() const: const _Value&      |
+-----------------------------------+

              ^
              |
              |
 
+--------------------------------+
|          _Hash_node            |
+--------------------------------+
| - _M_hash_code:  std::size_t   |
+--------------------------------+

2.2 hashtable实现

以find为例：

// 省略template
find(const key_type& __k)
{
  // 计算键的哈希码
  __hash_code __code = this->_M_hash_code(__k);
  
  // 根据哈希码计算桶的索引
  std::size_t __n = _M_bucket_index(__k, __code);
  
  // 在指定桶中查找节点
  __node_type* __p = _M_find_node(__n, __k, __code);
  
  // 如果找到节点，返回指向该节点的迭代器；否则返回尾后迭代器
  return __p ? iterator(__p) : end();
}

  1. 首先，通过调用 _M_hash_code 方法计算键的哈希码 __code。哈希码是根据键的值计算得到的，用于确定键在哈希表中的存储位置。

  2. 接下来，通过调用 _M_bucket_index 方法根据键的哈希码计算桶的索引 __n。桶是哈希表中的存储单元，每个桶可以存储一个或多个节点。通过将键的哈希码与桶的数量取模，可以确定键应该存储在哪个桶中。

  3. 然后，通过调用 _M_find_node 方法在指定的桶中查找节点。该方法会遍历桶中的节点，并根据节点的键和哈希码与目标键进行比较，找到匹配的节点。

  4. 如果找到了匹配的节点，就创建一个迭代器 iterator，指向该节点，并返回该迭代器。否则，返回尾后迭代器 end()，表示未找到匹配的节点。

2.3 如何确定桶？

里面有几个比较重要的函数：

// 接口
size_type
_M_bucket_index(__node_type* __n) const noexcept
{ return __hash_code_base::_M_bucket_index(__n, _M_bucket_count); }

size_type
_M_bucket_index(const key_type& __k, __hash_code __c) const
{ return __hash_code_base::_M_bucket_index(__k, __c, _M_bucket_count); }

// 实现
__hash_code
_M_hash_code(const _Key& __k) const
{ return _M_h1()(__k); }

std::size_t
_M_bucket_index(const _Key&, __hash_code __c,
    std::size_t __n) const
{ return _M_h2()(__c, __n); }

计算hashcode是通过h1计算出来，随后依据hashcode查找桶的index，此时通过h2计算，对于map与set(这里简称，都对应的是unordered_xxx)来说，H1是不一样，分别是Hash(key)、Hash(value)，而h2是一样的，都是_Mod_range_hashing：

struct _Mod_range_hashing
{
  typedef std::size_t first_argument_type;
  typedef std::size_t second_argument_type;
  typedef std::size_t result_type;

  result_type
  operator()(first_argument_type __num,
       second_argument_type __den) const noexcept
  { return __num % __den; }
};

这里呢使用了operator()重载，所以上面的计算桶的公式就出来了。

buckek_index = (h1(key)) % _M_bucket_count;

2.4 如何确定在桶中的位置？

直接贴一下代码吧，_M_find_node会去查找目标节点之前的节点，这样方便单链表的插入、删除操作。

__node_type* _M_find_node(size_type __bkt, const key_type& __key,
                          __hash_code __c) const
{
  // 查找目标节点之前的节点
  __node_base* __before_n = _M_find_before_node(__bkt, __key, __c);

  // 如果找到了目标节点之前的节点，返回目标节点
  if (__before_n)
    return static_cast<__node_type*>(__before_n->_M_nxt);

  // 否则返回 nullptr，表示未找到目标节点
  return nullptr;
}

__node_base* _M_find_before_node(size_type __n, const key_type& __k,
                                 __hash_code __code) const
{
  // 获取桶中的首节点
  __node_base* __prev_p = _M_buckets[__n];
  
  // 如果桶中没有节点，返回 nullptr
  if (!__prev_p)
    return nullptr;

  // 遍历桶中的节点，查找目标节点之前的节点
  for (__node_type* __p = static_cast<__node_type*>(__prev_p->_M_nxt);; __p = __p->_M_next())
  {
    // 判断当前节点是否与目标节点匹配
    if (this->_M_equals(__k, __code, __p))
      return __prev_p;

    // 如果当前节点没有下一个节点，或者下一个节点所在桶的索引不等于当前桶索引，结束遍历
    if (!__p->_M_nxt || _M_bucket_index(__p->_M_next()) != __n)
      break;

    // 更新目标节点之前的节点为当前节点
    __prev_p = __p;
  }
  
  // 返回 nullptr，表示未找到目标节点之前的节点
  return nullptr;
}

到这里是不是非常清楚hashtable的实现呢？是的，首先是确定桶，再次是个链表然后查找到当前key的前一个节点，有了这个接口，你会发现插入、删除、查找都非常简单了。

3.Rehash

紧接着，还有个比较重要的称为rehash，相信大家很清楚rehash，当散列表的冲突到达一定程度，那么就需要重新将key放到合适位置，这里封装成了一个rehash policy：

struct _Prime_rehash_policy
{
   //...
};

rehash操作中提到：桶的大小(bucket size) 默认通常是最小的素数，从而保证装载因子(load factor 容器当前元素数量与桶数量之比。)足够小。装载因子用来衡量哈希表满的程度，最大加载因子默认值为1.0.

_Prime_rehash_policy(float __z = 1.0)
: _M_max_load_factor(__z), _M_next_resize(0) { }

当哈希冲突的时候，怎么rehash呢？

3.1 计算新桶大小

std::size_t
_Prime_rehash_policy::_M_next_bkt(std::size_t __n) const
{
  // Optimize lookups involving the first elements of __prime_list.
  // (useful to speed-up, eg, constructors)
  static const unsigned char __fast_bkt[12]
    = { 2, 2, 2, 3, 5, 5, 7, 7, 11, 11, 11, 11 };
  if (__n <= 11)
    {
      _M_next_resize =
        __builtin_ceil(__fast_bkt[__n] * (long double)_M_max_load_factor);
      return __fast_bkt[__n];
    }
  const unsigned long* __next_bkt =
    std::lower_bound(__prime_list + 5, __prime_list + _S_n_primes, __n);
  _M_next_resize =
    __builtin_ceil(*__next_bkt * (long double)_M_max_load_factor);
  return *__next_bkt;
}

函数中的 __fast_bkt 数组存储了一些预定义的较小的素数值，用于优化对前几个元素的查找。

如果 __n 小于等于 11，函数会直接返回 __fast_bkt[__n]，并计算 _M_next_resize 的值，这个值表示下一次重新调整大小（resize）的阈值。

如果 __n 大于 11，函数将使用 std::lower_bound 在 __prime_list 数组中查找大于等于 __n 的第一个素数。__prime_list 是另一个数组，它存储了一系列素数值。然后函数会计算 _M_next_resize 的值，并返回找到的素数。

该函数的目的是根据给定的哈希表大小 __n，计算出下一个合适的哈希桶（bucket）的大小，并返回该大小。

写个小函数，测试一下，假设hashtable依次初始化0个元素、1个元素，依次类推，用i表示，下面的结果为bucket的数量，可以看到跟前面的__fast_bkt与__prime_list是对的上的。

➜  practice ./a.out                   
=====i = 0====
1
=====i = 1====
2
=====i = 2====
2
=====i = 3====
3
=====i = 4====
5
=====i = 5====
5
=====i = 6====
7
=====i = 7====
7
=====i = 8====
11
=====i = 9====
11
=====i = 10====
11
=====i = 11====
11
=====i = 12====
13
=====i = 13====
13
=====i = 14====
17
=====i = 15====
17
=====i = 16====
17
=====i = 17====
17
=====i = 18====

3.2 判断是否需要rehash

函数接受三个参数：__n_bkt 表示当前的哈希桶数量，__n_elt 表示当前的元素数量，__n_ins 表示待插入的元素数量。

std::pair<bool, std::size_t>
_Prime_rehash_policy::
_M_need_rehash(std::size_t __n_bkt, std::size_t __n_elt, std::size_t __n_ins) const
{
  if (__n_elt + __n_ins >= _M_next_resize)
  {
    long double __min_bkts = (__n_elt + __n_ins) / (long double)_M_max_load_factor;
    if (__min_bkts >= __n_bkt)
    {
      return std::make_pair(true, _M_next_bkt(std::max<std::size_t>(__builtin_floor(__min_bkts) + 1, __n_bkt * _S_growth_factor)));
    }

    _M_next_resize = __builtin_floor(__n_bkt * (long double)_M_max_load_factor);
    return std::make_pair(false, 0);
  }
  else
  {
    return std::make_pair(false, 0);
  }
}

static const std::size_t _S_growth_factor = 2;

函数首先通过比较 __n_elt + __n_ins 和 _M_next_resize 的大小来判断是否需要重新散列。_M_next_resize 是在之前的操作中计算得到的下一次重新调整大小的阈值。如果 __n_elt + __n_ins 大于等于 _M_next_resize，则表示需要重新散列。

接着，函数计算 __min_bkts，即根据当前元素数量和负载因子 _M_max_load_factor 估计的最小所需桶数量。如果 __min_bkts 大于等于 __n_bkt，则说明当前桶数量已经不足以满足最小所需桶数量，需要重新散列。此时，函数会调用 _M_next_bkt 函数来计算下一个合适的桶数量，并返回 std::make_pair(true, p)，其中 p 是下一个合适的桶数量。

如果 __min_bkts 小于 __n_bkt，则说明当前桶数量仍然足够，不需要重新散列。此时，函数会更新 _M_next_resize 为 __n_bkt * _M_max_load_factor，表示下一次重新调整大小的阈值，并返回 std::make_pair(false, 0)，表示不需要重新散列。

如果 __n_elt + __n_ins 小于 _M_next_resize，则说明当前元素数量未达到重新散列的阈值，不需要重新散列。函数直接返回 std::make_pair(false, 0)，表示不需要重新散列。

所以，我们知道了扩容桶的规则是什么了。

long double __min_bkts = (当前元素数量 + 插入的元素数量) / (long double)_M_max_load_factor;
std::max<std::size_t>(__builtin_floor(__min_bkts) + 1, n * 2)

3.3 rehash

rehash最终会通过辅助函数_M_rehash_aux完成rehash操作。

  • 分配新桶

  • 数据迁移

注意哨兵节点或者说dummy节点_M_before_begin，每建立一个新bucket，第一个节点永远是_M_before_begin。对应代码为：__new_buckets[__bkt] = &_M_before_begin;

具体的操作见下面注释：

void
_Hashtable<_Key, _Value, _Alloc, _ExtractKey, _Equal,
           _H1, _H2, _Hash, _RehashPolicy, _Traits>::
    _M_rehash_aux(size_type __n, std::true_type)
{
  __bucket_type *__new_buckets = _M_allocate_buckets(__n);
  __node_type *__p = _M_begin();
  _M_before_begin._M_nxt = nullptr;
  std::size_t __bbegin_bkt = 0; // 前一个桶的index
  while (__p)
  {
    __node_type *__next = __p->_M_next();
    std::size_t __bkt = __hash_code_base::_M_bucket_index(__p, __n);
    if (!__new_buckets[__bkt])    // 桶不存在
    {
      __p->_M_nxt = _M_before_begin._M_nxt;  // __p链接上旧桶的第一个有效节点
      _M_before_begin._M_nxt = __p;  // _M_before_begin链接上__p
      __new_buckets[__bkt] = &_M_before_begin; // 新桶的第一个节点为_M_before_begin
      if (__p->_M_nxt) // 前一个旧桶有节点
        __new_buckets[__bbegin_bkt] = __p; // 当前__p为旧桶的第一个有效节点
      __bbegin_bkt = __bkt; // 更新桶的index
    }
    else // 桶存在 头插法 插入当前节点
    {
      __p->_M_nxt = __new_buckets[__bkt]->_M_nxt; 
      __new_buckets[__bkt]->_M_nxt = __p;
    }
    __p = __next;
  }

  _M_deallocate_buckets();
  _M_bucket_count = __n;
  _M_buckets = __new_buckets;
}

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随着科技的发展和信息技术的普及&#xff0c;无纸化办公已经成为了现代企业的一个趋势。无纸化办公即指在企业日常工作中&#xff0c;尽量减少或不使用纸张作为工作载体&#xff0c;通过电子邮件、电子文档、电子表格等工具实现信息的传递和共享。无纸化办公不仅有利于环保&…
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路由器隔绝广播，为什么还要VLAN？

路由器隔绝广播，为什么还要VLAN？

路由器能隔绝广播&#xff0c;那要VLAN有什么用&#xff0c;既配置了VLAN又划分在不同的网段是不是有些多余了&#xff1f; 题主的意思是不要VLAN&#xff0c;可以吗&#xff1f; 当然可以。可以是可以&#xff0c;但是每台主机都能接收到路由器同一个接口&#xff08;三层/路…
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如何正确有效的学习java前端（合集）

如何正确有效的学习java前端（合集）

大量阅读 我是一个劲头十足的读者。所以&#xff0c;我的第一个关于学习JavaScript的技巧就是关于阅读&#xff0c;这绝不是巧合。书籍和其他的资源(如文章)可以在很大程度上帮助你学习JavaScript。通过实践学习&#xff0c;书籍是我学习新学科最喜欢的方式。在学习JavaScript的…
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如何快速新建Linux虚拟机，安装linux系统步骤

如何快速新建Linux虚拟机，安装linux系统步骤

1、安装好VMware workstation 软件&#xff1a;vmware workstation centos 7 2、点击创建新的虚拟机 3、选择安装操作系统&#xff0c;&#xff08;我这里使用centos-7 最简安装包&#xff0c;这种系统开销比较小&#xff0c;对机器性能要求不高&#xff09; 硬盘根据实际…
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【C++修炼之路】内存管理

【C++修炼之路】内存管理

&#x1f451;作者主页&#xff1a;安 度 因 &#x1f3e0;学习社区&#xff1a;StackFrame &#x1f4d6;专栏链接&#xff1a;C修炼之路 文章目录 一、C/C 内存分布二、考题三、C语言动态内存管理方式四、C内存管理方式1、对内置类型2、对自定义类型 五、C对动态管理的升级六…
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vue使用echarts根据页面大小 echarts窗口自适应

vue使用echarts根据页面大小 echarts窗口自适应

1. 使用window.onresize var myChart echarts.init(document.getElementById(myChart)); window.onresize () > {myChart.resize() }优点&#xff1a; 可以根据窗口大小实现自适应 缺点&#xff1a; window.onresize是绑定到window上的&#xff0c;切换vue页面时监听依…
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WEB APIs day4 (1)

WEB APIs day4 (1)

一、日期对象 1.实例化 <!DOCTYPE html> <html lang"en"><head><meta charset"UTF-8"><meta http-equiv"X-UA-Compatible" content"IEedge"><meta name"viewport" content"widthdevi…
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做私域选个微还是企微，哪个有优势？

做私域选个微还是企微，哪个有优势？

做私域&#xff0c;你必须要有一个&#xff0c;引流新客户及留存老客户的地方。 于是&#xff0c;就有很多人讨论或者纠结&#xff1a;做私域&#xff0c;选择个人微信&#xff1f;还是企业微信&#xff1f; 让我们一起来看看个人微信和企业微信在功能和使用上有哪些区别&…
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什么是 DevOps？看这一篇就够了！

什么是 DevOps？看这一篇就够了！

目录 一、前因 二、记忆 三、他们说…… 3.1、Atlassian 回答“什么是 DevOps&#xff1f;” 3.2、微软回答“什么是 DevOps&#xff1f;” 3.3、AWS 回答“什么是 DevOps&#xff1f;” 四、DevOps 文化 4.1、什么是文化&#xff1f; 4.2、什么是 DevOps 文化&#xf…
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