【C++】unordered_map & unordered_set 底层刨析

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1. 哈希表的改造2. unordered_map3. 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

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 KKeyOfT：从 T 中获取 KeyHash：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;

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;}};

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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