【C++】unordered_map & unordered_set 底层刨析

文章目录

• [1. 哈希表的改造](#1. 哈希表的改造)
• [2. unordered_map](#2. unordered_map)
• [3. unordered_set](#3. unordered_set)

C++ STL 库中，unordered_map 和 unordered_set 容器的底层为哈希表，本文将简单模拟哈希表（哈希桶），unordered_map 和 unordered_set 只需封装哈希表的接口即可实现。

1. 哈希表的改造

1. 模板参数列表的改造

   • K：关键码类型
   • T：不同容器 T 的类型不同，如果是 unordered_map，T 代表一个键值对，如果是 unordered_set，T 为 K
   • KeyOfT：从 T 中获取 Key
   • Hash：哈希函数仿函数对象类型，哈希函数使用除留余数法，需要将 Key 转换为整型数字才能取模

   template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
   class HashTable;

2. 增加迭代器操作

   // 为了实现简单，在哈希桶的迭代器类中需要用到HashTable本身
   template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
   class HashTable;
   
   // 注意：因为哈希桶在底层是单链表结构，所以哈希桶的迭代器不需要--操作
   template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
   struct __HTIterator
   {
   	typedef HashNode<T> Node;
   	typedef HashTable<K, T, KeyOfT, Hash> HT;
   	typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, Hash> Self;
   
   	Node* _node;	// 当前迭代器关联的节点
   	HT* _ht;		// 哈希桶 - 主要是为了找下一个空桶时候方便
   
   	__HTIterator(Node* node, HT* ht)
   		: _node(node)
   		, _ht(ht)
   	{}
   
   	T& operator*()
   	{
   		return _node->_data;
   	}
   
   	Self& operator++()
   	{
   		if (_node->_next)
   		{
   			// 当前桶还是节点
   			_node = _node->_next;
   		}
   		else
   		{
   			// 当前桶走完了，找下一个桶
   			KeyOfT kot;
   			Hash hs;
   			size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();
   			
   			// 找下一个桶
   			hashi++;
   			while (hashi < _ht->_tables.size())
   			{
   				if (_ht->_tables[hashi])
   				{
   					_node = _ht->_tables[hashi];
   					break;
   				}
   				hashi++;
   			}
   
   			// 后面没有桶了
   			if (hashi == _ht->_tables.size())
   			{
   				_node = nullptr;
   			}
   		}
   		return *this;
   	}
   
   	bool operator!=(const Self& s)
   	{
   		return _node != s._node;
   	}
   };

3. 增加通过 T 获取 key 操作

   template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
   class HashTable
   {
   	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
   	friend struct __HTIterator;
   
   	typedef HashNode<T> Node;
   
   public:
   	typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, Hash> iterator;
   
   	iterator begin()
   	{
   		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
   		{
   			// 找到第一个桶的第一个节点
   			if (_tables[i])
   			{
   				return iterator(_tables[i], this);
   			}
   		}
   		return end();
   	}
   
   	iterator end()
   	{
   		return iterator(nullptr, this);
   	}
   
   	HashTable()
   	{
   		_tables.resize(10, nullptr);
   		_n = 0;
   	}
   
   	~HashTable()
   	{
   		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;
   
   		// 负载因子到1就扩容
   		if (_n == _tables.size())
   		{
   			vector<Node*> newTables(_tables.size() * 2, nullptr);
   			for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
   			{
   				// 取出旧表中节点，重新计算挂到新表桶中
   				Node* cur = _tables[i];
   				while (cur)
   				{
   					Node* next = cur->_next;
   
   					// 头插到新表
   					size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newTables.size();
   					cur->_next = newTables[hashi];
   					newTables[hashi] = cur;
   
   					cur = next;
   				}
   				_tables[i] = nullptr;
   			}
   			_tables.swap(newTables);
   		}
   
   		size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
   		Node* newnode = new Node(data);
   
   		// 头插
   		newnode->_next = _tables[hashi];
   		_tables[hashi] = newnode;
   
   		++_n;
   		return true;
   	}
   
   	Node* Find(const K& key)
   	{
   		KeyOfT kot;
   		Hash hs;
   		size_t hashi = hs(key) % _tables.size();
   		Node* cur = _tables[hashi];
   		while (cur)
   		{
   			if (kot(cur->_data) == key)
   			{
   				return cur;
   			}
   			cur = cur->_next;
   		}
   		return nullptr;
   	}
   
   	bool Erase(const K& key)
   	{
   		KeyOfT kot;
   		Hash hs;
   		size_t hashi = hs(key) % _tables.size();
   		Node* prev = nullptr;
   		Node* cur = _tables[hashi];
   		while (cur)
   		{
   			if (kot(cur->_data) == key)
   			{
   				// 删除
   				if (prev)
   				{
   					prev->_next = cur->_next;
   				}
   				else
   				{
   					_tables[hashi] = cur->_next;
   				}
   
   				delete cur;
   
   				--_n;
   				return true;
   			}
   			prev = cur;
   			cur = cur->_next;
   		}
   		return false;
   	}
   
   private:
   	vector<Node*> _tables;	// 指针数组
   	size_t _n;
   };

2. unordered_map

• unordered_map 中存储的是 pair<K, V> 的键值对，K 为 key 的类型，V 为 value 的类型，Hash 为哈希函数类型
• unordered_map 在实现时，只需将 HashTable 中的接口重新封装即可

template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_map
{
	// 通过T获取key的操作
	struct MapKeyOfT
	{
		const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
		{
			return kv.first;
		}
	};

public:
	typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash>::iterator iterator;
		
	iterator begin()
	{
		return _ht.begin();
	}

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

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

private:
	hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
};

3. unordered_set

• unordered_set 的实现类似于 unordered_map

template<class K, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_set
{
	struct SetKeyOfT
	{
		const K& operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};

public:
	typedef typename hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash>::iterator iterator;

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

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

	bool insert(const K& key)
	{
		return _ht.Insert(key);
	}

private:
	hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
};

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END