• C++STL详解（七）哈希封装模拟实现unordered_set&unordered_map

    前言

    在模拟实现unordered_set&unordered_map，我们还需要对之前的哈希表进行一定的改造。

    1.unordered_set 模拟实现

    哈希表模板参数控制

    我们知道 unordered_set 是 K 模型的容器，而 unordered_map 是 KV 模型的容器。
    而我们希望的是用一份哈希表代码就能同时封装出K模型和KV模型，因此哈希表接受的参数就得需要根据情况变化。
    如果上层使用的是unordered_set容器，那么传入哈希表的模板参数就是key和key。

    template<class K>
class unordered_set
{
public:
	//...
private:
	HashBucket<K, K> _hb; //传入底层哈希桶的是K和K
};

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    但如果上层使用的是unordered_map容器，那么传入哈希表的模板参数就是key以及key和value构成的键值对。

    template<class K, class V>
class unordered_map
{
public:
	//...
private:
	HashTable<K, pair<K, V>> _ht; //传入底层哈希桶的是K以及K和V构成的键值对
};

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    因此，哈希表接受的模板的参数是T，T可以是K，也可以是pair
    对于哈希表来说，不知道T具体是是吗，因此也就需要一个仿函数KeyOfT来获取T类型中的键值

    template<class K, class V>
class unordered_map
{
	//仿函数
	struct MapKeyOfT
	{
		const K& operator()(const pair<K, V>& kv) //返回键值对当中的键值key
		{
			return kv.first;
		}
	};
public:
	//...
private:
	HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT> _ht;
};

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    template<class K>
class unordered_set
{
	//仿函数
	struct SetKeyOfT
	{
		const K& operator()(const K& key) //返回键值key
		{
			return key;
		}
	};
public:
	//...
private:
	HashTable<K, K, SetKeyOfT> _ht;
};

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    此时哈希模板参数变成了

    template<class K, class T, class KeyOfT>
class HashBucket
{
	// ...
}

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    此外，哈希最重要的映射问题我们还没有解决，由于我们采用的是取模求余法来解决哈希冲突的。
    这就需要获取将数组转化为对应的整数，而对哈希本身来说，接收到任何数据都是有可能的，因此哈希函数就不能固定，也得由参数来决定。

    template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
	class HashTable
	{
		//...
	}

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    在这里插入图片描述

    默认成员函数

    哈希表中有两个成员变量，当我们实例化一个对象时：

    • _tables会自动调用vector的默认构造函数完成初始化。
    • _n会根据我们所给的缺省值被设置为0。
    vector<Node*> _tables; //哈希表
size_t _n = 0; //哈希表中的有效元素个数

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    因此就不需要再写构造函数，使用默认生成的构造函数就足够了，但是由于我们后面需要写拷贝构造函数，写了拷贝构造函数后，默认的构造函数就不会生成了，而此时由于不存在默认构造函数，编译会通不过。因此，我们要么就写一个空的默认构造，或者default关键字显示指定生成默认构造函数。

    //构造函数
HashTable() = default; //显示指定生成默认构造函数

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    拷贝构造函数：

    由于我们实现的其实是哈希桶，也就是vector中是一个一个的节点。因此在拷贝时需要进行深拷贝，否则拷贝出来的哈希表和原哈希表中存储的都是同一批结点，析构时就会发生析构2次的问题。
    拷贝也就是将原来表中的节点，一个个创建出来，并头插到新表中。

    HashTable(const HashTable& ht)
{
	KeyOfT kot;
	_tables.resize(ht._tables.size());
	for (int i = 0; i < ht._tables.size(); i++)
	{
		Node* cur = ht._tables[i];
		while (cur)
		{
			Node* tmp = new Node(kot(cur->_data));
			tmp->_next = _tables[i];
			_tables[i] = tmp;
			_n++;
			cur = cur->_next;
		}
	}
}

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    赋值重载：

    实现赋值重载时，可以借助现代写法。
    传参的时候会产生一次拷贝构造，然后将当前和ht的数据交换即可，完成的是深拷贝。
    当赋值运算符重载函数调用结束后，拷贝构造出来的哈希表会因为出了作用域而被自动析构，此时原哈希表之前的数据也就顺势被释放了。

    // 传参的时候有一次拷贝构造了
HashTable& operator=(HashTable ht)
{
	if (this != &ht)
	{
		swap(_tables, ht._tables);
		swap(_n, ht._n);
	}
	return *this;
}

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    析构函数：

    vector虽然能自己调用其析构函数完成析构，但是vector里面的节点是手动new出来，因此也必须手动delete。

    // vector free itself，but the node in the vector need free mannually
// these nodes are pointer , built-in type
~HashTable()
{
	for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
	{
		// delete every bucket
		Node* cur = _tables[i];
		while (cur)
		{
			Node* next = cur->_next;
			delete cur;
			cur = next;
		}
		_tables[i] = nullptr;
	}
}

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    迭代器

    迭代器其实只是一个 HashNode* 的封装。

    注意，迭代器的封装中用到了哈希表的指针，因此需要对 HashTable 进行前置声明。

    operator++ ：
    迭代器++的逻辑很简单，就是一个一个桶去遍历，当前节点的 next 不为空，就去下一个节点，为空就说明当前桶走完了，就去下一个桶。

    // forward declaration __HTIterator__ use a pointer of HashTable
template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
class HashTable;

template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
class __HTIterator__
{
    typedef HashNode<T> Node;
    typedef __HTIterator__<K, T, KeyOfT, HashFunc> Self;
    Node* _node;
    HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* _pht;
public:
    __HTIterator__() {} // deault construction
    __HTIterator__(Node* node, HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* pht)
        :_node(node)
        , _pht(pht)
    {}
    Self& operator++()
    {
        if (_node->_next != nullptr)
            _node = _node->_next;
        else // bucket is empty
        {
            KeyOfT kot;
            HashFunc hf;
            size_t hashi = hf(kot(_node->_data)) % _pht->_tables.size();
            hashi++;
            // go to next not-empty bucket 
            for (; hashi < _pht->_tables.size(); ++hashi)
            {
                if (_pht->_tables[hashi] != nullptr) // find it
                {
                    _node = _pht->_tables[hashi];
                    break;
                }
            }
            if (hashi == _pht->_tables.size()) // find not
                _node = nullptr;
        }
        return *this; // return object itself
    }
    T& operator*()
    {
        return _node->_data;
    }
    T* operator->()
    {
        return &_node->_data;
    }
    bool operator==(const Self& s) const
    {
        return _node == s._node;
    }
    bool operator!=(const Self& s) const
    {
        return _node != s._node;
    }
};

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    HashTable 中，begin 返回的是第一个不为空的桶中的第一个节点。
    迭代器需要用当前节点指针和哈希表指针去构造，也就是 this 指针。

    typedef __HTIterator__<K, T, KeyOfT, HashFunc> iterator;

iterator begin()
{
    // find the not-empty bucket
    for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
    {
        Node* cur = _tables[i];
        if (cur != nullptr)
            return iterator(cur, this); // convert the pointer of HashTable
    }
    // all empty bucket
    return end();
}

iterator end()
{
    return iterator(nullptr, this);
}

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    注意：
    由于正向迭代器中++运算符重载函数在寻找下一个结点时，会访问哈希表中的成员变量_table，而_table成员变量是哈希表的私有成员，因此我们需要将正向迭代器类声明为哈希表类的友元。

    素数表

    素数只能被 1 和它自己整除，这样再去计算 hashi 的时候，取模哈希表的大小，一定程度上能减少哈希冲突。
    因此，有人搞了素数表出来，HashTable 的扩容已素数表中的大小来扩容。

    size_t GetNextPrime(size_t prime)
{
    const int PRIMECOUNT = 28;
    static const size_t primeList[PRIMECOUNT] =
    {
        53ul, 97ul, 193ul, 389ul, 769ul,
        1543ul, 3079ul, 6151ul, 12289ul, 24593ul,
        49157ul, 98317ul, 196613ul, 393241ul, 786433ul,
        1572869ul, 3145739ul, 6291469ul, 12582917ul, 25165843ul,
        50331653ul, 100663319ul, 201326611ul, 402653189ul, 805306457ul,
        1610612741ul, 3221225473ul, 4294967291ul
    };

    // get the primeNum larger than prime
    size_t i = 0;
    for (; i < PRIMECOUNT; ++i)
    {
        if (primeList[i] > prime)
            return primeList[i];
    }

    return primeList[i];
}

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    HashTable 源代码

    注意：

    1. 将哈希表中查找函数返回的结点指针，改为返回由结点指针和哈希表地址构成的迭代器。
    2. 将哈希表中插入函数的返回值类型，改为由正向迭代器类型和布尔类型所构成的键值对。
    // unordered_map -> HashTable, MapKeyOfT, HashFunc> _ht;
// unordered_set -> HashTable _ht;
template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
class HashTable
{
	typedef HashNode<T> Node;

	template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
	friend class __HTIterator__;
public:
	typedef __HTIterator__<K, T, KeyOfT, HashFunc> iterator;

	iterator begin()
	{
		// find the not-empty bucket
		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
		{
			Node* cur = _tables[i];
			if (cur != nullptr)
				return iterator(cur, this); // convert the pointer of HashTable
		}
		// all empty bucket
		return end();
	}

	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr, this);
	}

	// vector free itself，but the node in the vector need free mannually
	// these nodes are pointer , built-in type
	~HashTable()
	{
		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
		{
			// delete every bucket
			Node* cur = _tables[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}
			_tables[i] = nullptr;
		}
	}

	/*HashTable()
		:_tables(0, nullptr)
		, _n(0)
	{}*/
	// 也可以直接
	HashTable() = default;

	HashTable(const HashTable& ht)
	{
		KeyOfT kot;
		_tables.resize(ht._tables.size());
		for (int i = 0; i < ht._tables.size(); i++)
		{
			Node* cur = ht._tables[i];
			while (cur)
			{
				Node* tmp = new Node(kot(cur->_data));
				tmp->_next = _tables[i];
				_tables[i] = tmp;
				_n++;
				cur = cur->_next;
			}
		}
	}

	// 传参的时候有一次拷贝构造了
	HashTable& operator=(HashTable ht)
	{
		if (this != &ht)
		{
			swap(_tables, ht._tables);
			swap(_n, ht._n);
		}
		return *this;
	}

	size_t GetNextPrime(size_t prime)
	{
		const int PRIMECOUNT = 28;
		static const size_t primeList[PRIMECOUNT] =
		{
			53ul, 97ul, 193ul, 389ul, 769ul,
			1543ul, 3079ul, 6151ul, 12289ul, 24593ul,
			49157ul, 98317ul, 196613ul, 393241ul, 786433ul,
			1572869ul, 3145739ul, 6291469ul, 12582917ul, 25165843ul,
			50331653ul, 100663319ul, 201326611ul, 402653189ul, 805306457ul,
			1610612741ul, 3221225473ul, 4294967291ul
		};

		// get the primeNum larger than prime
		size_t i = 0;
		for (; i < PRIMECOUNT; ++i)
		{
			if (primeList[i] > prime)
				return primeList[i];
		}

		return primeList[i];
	}

	pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
	{
		HashFunc hf;
		KeyOfT kot;
		iterator pos = Find(kot(data)); // find the same
		if (pos != end()) // not find --> insert
			return make_pair(pos, false);
		// load factor == 1,expand capacity.
		// that is,one node per bucket on average
		if (_tables.size() == _n)
		{
			//size_t newSize = _tables.size() == 0 ? 10 : _tables.size() * 2;
			size_t newSize = GetNextPrime(_tables.size());
			if (newSize != _tables.size()) // avert surpass 4294967291ul
			{
				vector<Node*> newTables;
				newTables.resize(newSize, nullptr);
				for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
				{
					Node* cur = _tables[i];
					while (cur) // head-insert
					{
						Node* next = cur->_next;
						size_t hashi = hf(kot(cur->_data)) % newSize;
						cur->_next = newTables[hashi];
						newTables[hashi] = cur;

						cur = next; // update cur
					}
					_tables[i] = nullptr;
				}
				newTables.swap(_tables);
			}
		}

		size_t hashi = hf(kot(data));
		hashi %= _tables.size();
		// head-insert to the bucket counterpart
		Node* newNode = new Node(data);
		newNode->_next = _tables[hashi];
		_tables[hashi] = newNode;
		++_n; // increase size

		return make_pair(iterator(newNode, this), true);
	}

	iterator Find(const K& key)
	{
		if (_tables.size() == 0)
			return iterator(nullptr, this);
		KeyOfT kot;
		HashFunc hf;
		size_t hashi = hf(key);
		// size_t hashi = HashFunc()(key); // anonymous object
		hashi %= _tables.size();
		Node* cur = _tables[hashi];
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) == key)
				return iterator(cur, this);
			cur = cur->_next;
		}
		return iterator(nullptr, this);
	}

	bool Erase(const K& key)
	{
		if (_tables.size() == 0)
			return false;
		HashFunc hf;
		KeyOfT kot;
		size_t hashi = hf(key);
		hashi %= _tables.size();
		Node* prev = nullptr;
		Node* cur = _tables[hashi];
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) == key)
			{
				// prev cur cur->next
				if (prev == nullptr)
					_tables[hashi] = cur->_next;
				else
					prev->_next = cur->_next;
				delete cur;
				--_n;
				return true;
			}
			prev = cur;
			cur = cur->_next;
		}
		return false;
	}
private:
	vector<Node*> _tables;
	size_t _n = 0;
};

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    unordered_set源码

    namespace yzq
{
	template<class K, class HashFunc = HashBucketForSetMap::DefaultHash<K>>
	class unordered_set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename HashBucketForSetMap::HashTable<K, K, SetKeyOfT, HashFunc>::iterator iterator;

	public:
		pair<iterator, bool> insert(const K& key)
		{
			return _ht.Insert(key);
		}

		bool erase(const K& key)
		{
			return _ht.Erase(key);
		}

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

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



	private:
		HashBucketForSetMap::HashTable<K, K, SetKeyOfT, HashFunc> _ht;
	};

	struct Date
	{
		Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
			:_year(year)
			, _month(month)
			, _day(day)
		{}

		bool operator==(const Date& d) const
		{
			return _year == d._year && _month == d._month && _day == d._day;
		}

		int _year;
		int _month;
		int _day;
	};

	struct DateHashFunc
	{
		size_t operator()(const Date& d)
		{
			size_t hashi = 0;
			hashi += d._year;
			hashi *= 131;
			hashi += d._month;
			hashi *= 112;
			hashi += d._day;
			return hashi;
		}
	};

	void test_set1()
	{
		unordered_set<int> s;
		//set s;
		s.insert(2);
		s.insert(3);
		s.insert(1);
		s.insert(12);
		s.insert(2);
		s.insert(5);


		unordered_set<Date, DateHashFunc> sd;
		sd.insert(Date(2022, 9, 4));
		sd.insert(Date(2022, 4, 9));

		unordered_set<int>::iterator it = s.begin();
		//auto it = s.begin(); 
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl; // 1 12 2 3 5

		//for (auto e : s)
		//{
		//	cout << e << " ";
		//}
		//cout << endl; // 2 3 1 5
	}
}

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    2.unordered_map 模拟实现

    unordered_map源码

    #pragma once
#include "HashTable.h"

namespace yzq
{
    template<class K, class V, class HashFunc = HashBucketForSetMap::DefaultHash<K>>
    class unordered_map
    {
        struct MapKeyOfT
        {
            const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
            {
                return kv.first;
            }
        };
    public:
        typedef typename HashBucketForSetMap::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, HashFunc>::iterator iterator;
        pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)
        {
            return _ht.Insert(kv);
        }
        iterator erase(const pair<K, V>& kv)
        {
            return _ht.Erase(kv);
        }
        iterator find(const K& key)
        {
            return _ht.Find(key);
        }
        iterator begin()
        {
            return _ht.begin();
        }
        iterator end()
        {
            return _ht.end();
        }
        V& operator[](const K& key)
        {
            pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
            return ret.first->second;
        }
    private:
        HashBucketForSetMap::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, HashFunc> _ht;
    };
    void test_map1()
    {
        unordered_map<string, string> dict;
        dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
        dict.insert(make_pair("left", "左边"));
        dict.insert(make_pair("left", "剩余")); // 已经有了left，不能再插进去
        dict["string"]; // 默认是空对象
        dict["left"] = "剩余"; // 这样才是修改
        dict["string"] = "字符串";

        unordered_map<string, string>::iterator it = dict.begin();
        while (it != dict.end()) // actually is HashNode*
        {
            cout << it->first << " " << it->second << endl;
            ++it;
        }

        for (const auto& kv : dict)
        {
            cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
        }
    }
}


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    尾声

    🌹🌹🌹

    写文不易，如果有帮助烦请点个赞~ 👍👍👍

    Thanks♪(･ω･)ﾉ🌹🌹🌹

    😘😘😘

    👀👀由于笔者水平有限，在今后的博文中难免会出现错误之处，本人非常希望您如果发现错误，恳请留言批评斧正，希望和大家一起学习，一起进步ヽ(￣ω￣(￣ω￣〃)ゝ，期待您的留言评论。
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