用哈希表封装myunordered_map/_set--C++

小志biubiu

发布于 2025-02-27 15:31:06

3500

代码可运行

文章被收录于专栏：c/c++/linux开发学习c/c++/linux开发学习

运行总次数：0

代码可运行

一、源码及框架分析

SGI-STL30版本源代码中没有unordered_map和unordered_set，SGI-STL30版本是C++11之前的STL版本，这两个容器是C++11之后才更新的。但是SGI-STL30实现了哈希表，只容器的名字是hash_map和hash_set，他是作为非标准的容器出现的，非标准是指非C++标准规定必须实现的，源代码在hash_map/hash_set/stl_hash_map/stl_hash_set/stl_hashtable.h中 hash_map和hash_set的实现结构框架核心部分截取出来如下：

// stl_hash_set
template <class Value, class HashFcn = hash<Value>,
		class EqualKey = equal_to<Value>,
		class Alloc = alloc>
class hash_set
{ 
private:
	typedef hashtable<Value, Value, HashFcn, identity<Value>,
	EqualKey, Alloc> ht;
	ht rep;
public:
	typedef typename ht::key_type key_type;
	typedef typename ht::value_type value_type;
	typedef typename ht::hasher hasher;
	typedef typename ht::key_equal key_equal;
	typedef typename ht::const_iterator iterator;
	typedef typename ht::const_iterator const_iterator;
	hasher hash_funct() const { return rep.hash_funct(); }
	key_equal key_eq() const { return rep.key_eq(); }
};

// stl_hash_map
template <class Key, class T, class HashFcn = hash<Key>,
		class EqualKey = equal_to<Key>,
		class Alloc = alloc>
class hash_map
{ 
private:
	typedef hashtable<pair<const Key, T>, Key, HashFcn,
	select1st<pair<const Key, T> >, EqualKey, Alloc> ht;
	ht rep;
public:
	typedef typename ht::key_type key_type;
	typedef T data_type;
	typedef T mapped_type;
	typedef typename ht::value_type value_type;
	typedef typename ht::hasher hasher;
	typedef typename ht::key_equal key_equal;
	typedef typename ht::iterator iterator;
	typedef typename ht::const_iterator const_iterator;
};

// stl_hashtable.h
template <class Value, class Key, class HashFcn,
		class ExtractKey, class EqualKey,
		class Alloc>
class hashtable 
{
public:
	typedef Key key_type;
	typedef Value value_type;
	typedef HashFcn hasher;
	typedef EqualKey key_equal;
private:
	hasher hash;
	key_equal equals;
	ExtractKey get_key;
	typedef __hashtable_node<Value> node;
	vector<node*,Alloc> buckets;
	size_type num_elements;
public:
	typedef __hashtable_iterator<Value, Key, HashFcn, ExtractKey, EqualKey,
	Alloc> iterator;
	pair<iterator, bool> insert_unique(const value_type& obj);
	const_iterator find(const key_type& key) const;
};
template <class Value>
struct __hashtable_node
{
	__hashtable_node* next;
	Value val;
};

这里我们就不再画图分析了，通过源码可以看到，结构上hash_map和hash_set跟map和set的完全类似，复用同一个hashtable实现key和key/value结构，hash_set传给hash_table的是两个key，hash_map传给hash_table的是pair<const key, value>
需要注意的是源码里面跟map/set源码类似，命名风格比较乱，这里比map和set还乱，hash_set模板参数居然用的Value命名，hash_map用的是Key和T命名。下面我们模拟一份自己的出来，就按自己的风格走了。

二、模拟实现unordered_map和unordered_set

1、实现出复用哈希表的框架，并支持insert

参考源码框架，unordered_map和unordered_set复用之前我们实现的哈希表。
我们这里相比源码调整一下，key参数就用K，value参数就用V，哈希表中的数据类型，我们使用T。
其次跟map和set相比而言unordered_map和unordered_set的模拟实现类结构更复杂一点，但是大框架和思路是完全类似的。因为HashTable实现了泛型不知道T参数导致是K，还是pair<K, V>，那么insert内部进行插入时要用K对象转换成整形取模和K比较相等，因为pair的value不参与计算取模，且默认支持的是key和value一起比较相等，我们需要时的任何时候只需要比较K对象，所以我们在unordered_map和unordered_set层分别实现一个MapKeyOfT和SetKeyOfT的仿函数传给HashTable的KeyOfT，然后HashTable中通过KeyOfT仿函数取出T类型对象中的K对象，再转换成整形取模和K比较相等，具体细节参考如下代码实现。

//MyUnorderedSet.h
namespace xz
{
	template<class K, class Hash = HashFunc<K>>
	class unordered_set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		bool insert(const K& key)
		{
			return _ht.Insert(key);
		}
	private:
		hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
	};
}

// MyUnorderedMap.h
namespace xz
{
	template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
	class unordered_map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		bool insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			return _ht.Insert(key);
		}
	private:
		hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
	};
}

// HashTable.h
emplate<class K>
struct HashFunc
{
	size_t operator()(const K& key)
	{
		return (size_t)key;
	}
};
namespace hash_bucket
{
	template<class T>
	struct HashNode
	{
		T _data;
		HashNode<T>* _next;

		HashNode(const T& data)
			:_data(data)
			, _next(nullptr)
		{}
	};
	
	// 实现步骤：
	// 1、实现哈希表
	// 2、封装unordered_map和unordered_set的框架 解决KeyOfT
	// 3、iterator
	// 4、const_iterator
	// 5、key不⽀持修改的问题
	// 6、operator[]
	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
	class HashTable
	{
		typedef HashNode<T> Node;
		
		inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
		{
			// Note: assumes long is at least 32 bits.
			static const int __stl_num_primes = 28;
			static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] = {
				53, 97, 193, 389, 769,
				1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
				49157, 98317, 196613, 393241, 786433,
				1572869, 3145739, 6291469, 12582917, 25165843,
				50331653, 100663319, 201326611, 402653189, 805306457,
				1610612741, 3221225473, 4294967291
			};
			const unsigned long* first = __stl_prime_list;
			const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
			const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
			return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
		}
	public:
		HashTable()
		{
			_tables.resize(__stl_next_prime(_tables.size()), nullptr);
		} 
		~HashTable()
		{
			// 依次把每个桶释放
			for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
			{
				Node* cur = _tables[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;
					delete cur;
					cur = next;
				} 
				_tables[i] = nullptr;
			}
		}
		bool Insert(const T& data)
		{
			KeyOfT kot;
			if (Find(kot(data)))
				return false;
				
			Hash hs;
			size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
			
			// 负载因⼦==1扩容
			if (_n == _tables.size())
			{
				vector<Node*> newtables(__stl_next_prime(_tables.size()),
				nullptr);
				for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
				{
					Node* cur = _tables[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;
						
						// 旧表中结点，挪动新表重新映射的位置
						size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newtables.size();
						
						// 头插到新表
						cur->_next = newtables[hashi];
						newtables[hashi] = cur;
						
						cur = next;
					} 
					_tables[i] = nullptr;
				}
				_tables.swap(newtables);
			} 
			// 头插
			Node* newnode = new Node(data);
			newnode->_next = _tables[hashi];
			_tables[hashi] = newnode;
			++_n;
			
			return true;
		}
	private:
		vector<Node*> _tables; // 指针数组
		size_t _n = 0; // 表中存储数据个数
	};
}

2、支持iterator的实现

iterator核心源代码

template <class Value, class Key, class HashFcn,
		class ExtractKey, class EqualKey, class Alloc>
struct __hashtable_iterator 
{
	typedef hashtable<Value, Key, HashFcn, ExtractKey, EqualKey, Alloc> 
					hashtable;
	typedef __hashtable_iterator<Value, Key, HashFcn,
								ExtractKey, EqualKey, Alloc>
								iterator;
	
	typedef __hashtable_const_iterator<Value, Key, HashFcn,
										ExtractKey, EqualKey, Alloc>
										const_iterator;
	typedef __hashtable_node<Value> node;
	
	typedef forward_iterator_tag iterator_category;
	typedef Value value_type;
	
	node* cur;
	hashtable* ht;
	
	__hashtable_iterator(node* n, hashtable* tab) : cur(n), ht(tab) {}
	__hashtable_iterator() {}
	reference operator*() const { return cur->val; }
#ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR
	pointer operator->() const { return &(operator*()); }
#endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */
	iterator& operator++();
	iterator operator++(int);
	bool operator==(const iterator& it) const { return cur == it.cur; }
	bool operator!=(const iterator& it) const { return cur != it.cur; }
};

template <class V, class K, class HF, class ExK, class EqK, class A>
__hashtable_iterator<V, K, HF, ExK, EqK, A>&
__hashtable_iterator<V, K, HF, ExK, EqK, A>::operator++()
{
	const node* old = cur;
	cur = cur->next;
	if (!cur) {
		size_type bucket = ht->bkt_num(old->val);
		while (!cur && ++bucket < ht->buckets.size())
			cur = ht->buckets[bucket];
	} 
	return *this;
}

iterator实现思路分析

iterator实现的大框架跟list的iterator思路是一致的，用一个类型封装结点的指针，再通过重载运算符实现，迭代器像指针一样访问的行为，要注意的是哈希表的迭代器是单向迭代器。
这里的难点是operator++的实现。iterator中有一个指向结点的指针，如果当前桶下面还有结点，则结点的指针指向下一个结点即可。如果当前桶走完了，则需要想办法计算找到下一个桶。这里的难点是反而是结构设计的问题，参考上面的源码，我们可以看到iterator中除了有结点的指针，还有哈希表对象的指针，这样当前桶走完了，要计算下一个桶就相对容易多了，用key值计算出当前桶位置，依次往后找下一个不为空的桶即可。
begin()返回第一个桶中第一个节点指针构造的迭代器，这里end()返回迭代器可以用空表示。
unordered_set的iterator也不支持修改，我们把unordered_set的第二个模板参数改成const K即可， HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
unordered_map的iterator不支持修改key但是可以修改value，我们把unordered_map的第二个模板参数pair的第一个参数改成const K即可， HashTable<K, pair<const K, V>,MapKeyOfT, Hash> _ht;
支持完整的迭代器还有很多细节需要修改，具体参考下面的代码。

3、map支持[]

unordered_map要支持[]主要需要修改insert返回值支持，修改HashTable中的insert返回值为pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)
有了insert支持[]实现就很简单了，具体参考下面4的代码实现

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

4、xz::unordered_map和xz::unordered_set代码实现

xz::unordered_map和xz::unordered_set代码实现

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。

原始发表：2024-11-14，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

框架

本文分享自作者个人站点/博客前往查看

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，欢迎热爱写作的你一起参与！

登录后参与评论

0 条评论

热度

用哈希表封装myunordered_map/_set--C++

用哈希表封装myunordered_map/_set--C++

一、源码及框架分析

二、模拟实现unordered_map和unordered_set

1、实现出复用哈希表的框架，并支持insert

2、支持iterator的实现

3、map支持[]

4、xz::unordered_map和xz::unordered_set代码实现

社区

活动

资源

关于

腾讯云开发者

热门产品

热门推荐

更多推荐