C++封装红黑树实现mymap和myset和模拟实现详解

_extraordinary_2025-01-28 16:00

文章目录

map和set的封装

介绍map和set的底层实现

map和set的底层

一份模版实例化出key的rb_tree和pair<k,v>的rb_tree

rb_tree的Key和Value不是我们之前传统意义上的key/value

迭代器也是一份模版实例化出两个不同的迭代器

所以说底层上红黑树是有两份的，一份是key的，一份是key/value的

  1. 通过泛型的思想实现出的模版，第二个参数不是写死的，第二个模版参数是Value决定的，Value可以是key或者是pair<const key, T>,这样既可以实现key的搜索场景，也可以实现key/value的搜索场景
  2. 要注意一下，源码里面模板参数是用T代表value，而内部写的value_type不是我们我们日常key/value场景中说的value，源码中的value_type反而是红黑树结点中存储的真实的数据的类型
  3. rb_tree的第二个模版参数已经控制了红黑树节点的存储的数据类型，为什么还要写第二个模版参数？
    set的两个模版参数都是一样的,都是key,insert的都是key,find和erase的也是key。但是对于map来说，insert的是pair对象，find/erase的是key。所以set为了兼容map就传了两个模版参数

map和set的模拟实现

pair的默认比较的是first，first小就小，first不小，比较second,second小就小。

insert

insert关键是要解决插入的值是Key还pair的问题

上层用仿函数实现一个类来解决下层比较的是key还是pair的问题，下层不知道T是什么，但是上层知道，如果比较的是key上层就传key,是pair就传pair

cpp 复制代码 
namespace wbc
{
	template<class K>
	class set
	{
		// 为了解决不知道下层T是key还是pair的逻辑
		struct SetKeyOfT
		{
			// 仿函数可以解决
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};

	public:
		bool insert(const K& key)
		{
			return _t.Insert(key);
		}
	private:
		RBTree<K,K,SetKeyOfT> _t;
	};
}

namespace wbc
{
	template<class K, class V>
	class map
	{
		// 为了解决不知道下层T是key还是pair的逻辑
		struct MapKeyOfT
		{
			// 仿函数可以解决
			const pair<K, V>& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};

	private:
		RBTree<K, pair<K, V>,MapKeyOfT> _t;
	};
}

iterator实现的思路

  1. map和set的迭代器走的是中序遍历，begin()返回的是中序的第一个节点
  2. operator++核心是不看全局，只看局部，只关心当前局部的下一个节点是什么
  3. 中序访问的顺序：左子树，根，右子树。++，it当前节点已经访问完了，如果右不为空，访问右子树的最左节点。如果右为空，说明当前节点已经访问完了，子树也访问完了，就要访问该节点的祖先，并且要往上找。要找的是孩子是祖先的左边的那个祖先。
    如果孩子在父亲的右，说明父亲访问完了，父亲在爷爷的左，下一个就访问爷爷。
  4. set的iterator也不支持修改，我们把set的第二个模板参数改成const K即可， RBTree<K,const K, SetKeyOfT> _t;
  5. map的iterator不支持修改key但是可以修改value，我们把map的第二个模板参数pair的第一个参
    数改成const K即可， RBTree<K, pair<const K, V>,MapKeyOfT> _t;

operator++

  1. 右不为空，中序的下一个节点就是右子树中的最左节点
  2. 右为空，分为两种情况：
    情况1：一直往上找直到找到父亲的左是当前节点，那么下一个节点就是这个父亲节点
    情况2：就是一直找，找不到父亲的左是当前节点，也就是当前节点一直是父亲的右，直到找到父亲是空都没有找到，那么这棵树就走完了
cpp 复制代码 
Self operator++()
{
	if (_node->_right)
	{
		// 如果右不为空,中序下一个要访问的节点就是最左(最小)节点
		Node* min = _node->_right;
		while (min->_left)
		{
			min = min->_left;
		}
		_node = min;
	}
	else
	{
		// 如果右为空,祖先里面的孩子是父亲左的那个祖先
		Node* cur = _node;
		Node* parent = cur->_parent;
		while (parent && cur == parent->_right)
		{
			cur = parent;
			parent = cur->_parent;
		}
		_node = parent;
	}
	return *this;
}

operator- -

访问节点

  1. 右子树，根，左子树。如果左树不为空，访问左树的最右节点（最大节点）。如果左树为空，说明这棵子树访问完了，如果该节点还是父亲的左，说明也访问完了，要找到节点是父亲的右，下一个访问的节点就是父亲。如果都不存在，下一个就要访问空节点了，说明这棵树访问完了。
  2. operator- - 和operator++正好反过来了
cpp 复制代码 
// RBTree.h
Self operator--()
{
	if (_node == nullptr) // --end()
	{
		// --end(),找到整棵树的最右节点,中序的最后一个节点
		// 找最右节点
		Node* mostright = _root;
		// 空树(无节点)和找最右节点
		while (mostright && mostright->_right)
		{
			mostright = mostright->_right;
		}
		_node = mostright;
	}
	else if (_node->_left)
	{
		// 如果左不为空，下一访问的是左树中的最右节点
		Node* most = _node->_left;
		while (most->_right)
		{
			most = most->_right;
		}
		_node = most;
	}
	else
	{
		// 如果左为空,下一个访问的是孩子是父亲右的,那个祖先
		Node* cur = _node;
		Node* parent = _node->_parent;
		while (parent && cur == parent->_left)
		{
			cur = parent;
			parent = cur->_parent;
		}
		_node = parent;
	}

	return *this;
}

// Myset.h
void Print(const set<int>& s)
{
	set<int>::const_iterator it = s.end();
	while (it != s.begin())
	{
		--it;
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
}

// test.cpp
int main()
{
	wbc::set<int> s;
	s.insert(5);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(3);
	s.insert(4);
	s.insert(6);

	s.Print(s);
}

库里面实现的是有哨兵位的头节点，我们实现是end()是nullptr，但是也可以实现--end()的功能，无非就是要_root，去找整棵树的最右节点（最后一个节点），end()是最后一个节点的下一个节点

operator[ ]

operator[ ]直接调用insert即可

map实现operator[ ],修改insert的返回值为pair< Iterator,bool>

cpp 复制代码 
V& operator[](const K& key)
{
	pair<iterator, bool> ret = insert({ key,V() });
	return ret.first->second;
	// 修改value
}

pair<Iterator,bool> Insert(const T& data)
{
	if (_root == nullptr)
	{
		_root = new Node(data);
		_root->_col = BLACK;

		// return pair<Iterator,bool>(Iterator(_root,_root),true);
		return { Iterator(_root,_root),true }; 
	}

	KeyOfT kot;

	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (kot(cur->_data) < kot(data))
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_right;
		}
		else if (kot(cur->_data) > kot(data))
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_left;
		}
		else
		{
			// 不冗余,插入失败
			return { Iterator(cur,_root),false }; ;
		}
	}

	cur = new Node(data);
	Node* newnode = cur;
	// 如果连续变色,cur不一定是新节点
	// 如果是非空树,插入红色节点
	cur->_col = RED;
	if (kot(parent->_data) < kot(data))
	{
		parent->_right = cur;
	}
	else if (kot(parent->_data) > kot(data))
	{
		parent->_left = cur;
	}
	// 链接父亲节点
	cur->_parent = parent;

	// parent是红色,出现了连续的红色节点,需要向上调整
	// 调整之后cur是根,cur的parent是nullptr
	while (parent && parent->_col == RED)
	{
		Node* grandfather = parent->_parent;
		if (grandfather->_left == parent)
		{
			//   g
		   // p     u
			Node* uncle = grandfather->_right;
			if (uncle && uncle->_col == RED)
			{
				// 变色是为了处理连续的红节点,保证黑节点的数量不变,
				// 向上继续调整是因为grandfather的节点可能是黑节点就结束,
				// 可能是红节点就继续向上处理
				parent->_col = uncle->_col = BLACK;
				grandfather->_col = RED;

				// 继续向上处理
				cur = grandfather;
				parent = cur->_parent;
			}
			else
			{
				// uncle不存在或uncle存在且为黑
				//   g
			   // p     u
			  // c
			  // 右单旋
				if (cur == parent->_left)
				{
					RotateR(grandfather);
					parent->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;
				}
				else
				{
					// 双旋
					//   g
					// p   u
					  // c
					RotateL(parent);
					RotateR(grandfather);
					cur->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;
				}
				break;
			}
		}
		else
		{
			//   g
		   // u     p
			Node* uncle = grandfather->_left;
			if (uncle && uncle->_col == RED)
			{
				parent->_col = uncle->_col = BLACK;
				grandfather->_col = RED;

				// 继续向上更新
				cur = grandfather;
				parent = cur->_parent;
			}
			else
			{
				// uncle不存在或者存在且是黑
				//    g
				// u     p
			   //          c
			   // 左单旋
				if (parent->_right == cur)
				{
					RotateL(grandfather);
					parent->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;
				}
				else
				{
					//     g
				//      u     p
			   //          c
					// 双旋
					RotateR(parent);
					RotateL(grandfather);
					cur->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;
				}
				break;
			}
		}

	}

	// 无论如何结束之后根都是黑色的
	_root->_col = BLACK;

	return {Iterator(newnode,_root),true};
}
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