C++Hash实现myunordered_map&set
文章目录
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- 一、框架分析
- 二、模拟实现
-
- iterator实现思路分析
- 三、代码实现
- 四、总结
一、框架分析
GI-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
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，可见大佬有时写代码也不规范，乱弹琴。下面模拟⼀份自己的出来，就按自己的风格走了。
二、模拟实现
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。
- 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，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
// MyUnorderedSet.h
namespace bit
{
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, K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
};
}
// MyUnorderedMap.h
namespace bit
{
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(kv);
}
private:
hash_bucket::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
};
}
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constK即可， HashTable
- 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 - 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。
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
有了insert支持[]实现就很简单了，具体参考下面代码实现
三、代码实现
MyUnorderedSet.h
namespace tu
{
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;
typedef typename hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT,
Hash>::ConstIterator const_iterator;
iterator begin()
{
return _ht.Begin();
}
iterator end()
{
return _ht.End();
}
const_iterator begin() const
{
return _ht.Begin();
}
const_iterator end() const
{
return _ht.End();
}
pair<iterator, bool> insert(const K & key)
{
return _ht.Insert(key);
}
iterator Find(const K & key)
{
return _ht.Find(key);
}
bool Erase(const K & key)
{
return _ht.Erase(key);
}
private:
hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;
};
void test_set()
{
unordered_set<int> s;
int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14, 3,3,15 };
for (auto e : a)
{
s.insert(e);
}
for (auto e : s)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
unordered_set<int>::iterator it = s.begin();
while (it != s.end())
{
// 不支持修改
//*it += 1;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
}
MyUnorderedMap.h
namespace tu
{
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:
typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>,
MapKeyOfT, Hash>::Iterator iterator;
typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>,
MapKeyOfT, Hash>::ConstIterator const_iterator;
iterator begin()
{
return _ht.Begin();
}
iterator end()
{
return _ht.End();
}
const_iterator begin() const
{
return _ht.Begin();
}
const_iterator end() const
{
return _ht.End();
}
pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)
{
return _ht.Insert(kv);
}
V& operator[](const K& key)
{
pair<iterator, bool> ret = _ht.Insert(make_pair(key, V()));
return ret.first->second;
}
iterator Find(const K& key)
{
return _ht.Find(key);
}
bool Erase(const K& key)
{
return _ht.Erase(key);
}
private:
hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;
};
void test_map()
{
unordered_map<string, string> dict;
dict.insert({ "sort", "排序" });
dict.insert({ "left", "左边" });
dict.insert({ "right", "右边" });
dict["left"] = "左边，剩余";
dict["insert"] = "插⼊";
dict["string"];
unordered_map<string, string>::iterator it = dict.begin();
while (it != dict.end())
{
// 不能修改first，可以修改second
//it->first += 'x';
it->second += 'x';
cout << it->first << ":" << it->second << endl;
++it;
}
cout << endl;
}
}
HashTable.h
template<class K>
struct HashFunc
{
size_t operator()(const K& key)
{
return (size_t)key;
}
};
// 特化
template<>
struct HashFunc<string>
{
size_t operator()(const string& key)
{
size_t hash = 0;
for (auto e : key)
{
hash *= 131;
hash += e;
}
return hash;
}
};
namespace hash_bucket
{
template<class T>
struct HashNode
{
T _data;
HashNode<T>* _next;
HashNode(const T& data)
:_data(data)
, _next(nullptr)
{}
};
// 前置声明
template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable;
template<class K, class T, class Ptr, class Ref, class KeyOfT, class Hash>
struct HTIterator
{
typedef HashNode<T> Node;
typedef HTIterator<K, T, Ptr, Ref, KeyOfT, Hash> Self;
Node* _node;
const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht;
HTIterator(Node* node, const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* pht)
:_node(node)
, _pht(pht)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
bool operator!=(const Self& s)
{
return _node != s._node;
}
Self& operator++()
{
if (_node->_next)
{
// 当前桶还有节点
_node = _node->_next;
}
else
{
// 当前桶⾛完了，找下⼀个不为空的桶
KeyOfT kot;
Hash hs;
size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _pht -> _tables.size();
++hashi;
while (hashi < _pht->_tables.size())
{
if (_pht->_tables[hashi])
{
break;
}
++hashi;
}
if (hashi == _pht->_tables.size())
{
_node = nullptr; // end()
}
else
{
_node = _pht->_tables[hashi];
}
}
return *this;
}
};
template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable
{
// 友元声明
template<class K, class T, class Ptr, class Ref, class KeyOfT, class
Hash>
friend struct HTIterator;
typedef HashNode<T> Node;
public:
typedef HTIterator<K, T, T*, T&, KeyOfT, Hash> Iterator;
typedef HTIterator<K, T, const T*, const T&, KeyOfT, Hash>
ConstIterator;
Iterator Begin()
{
if (_n == 0)
return End();
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
Node* cur = _tables[i];
if (cur)
{
return Iterator(cur, this);
}
}
return End();
}
Iterator End()
{
return Iterator(nullptr, this);
}
ConstIterator Begin() const
{
if (_n == 0)
return End();
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
Node* cur = _tables[i];
if (cur)
{
return ConstIterator(cur, this);
}
}
return End();
}
ConstIterator End() const
{
return ConstIterator(nullptr, this);
}
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
{
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;
}
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;
}
}
pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)
{
KeyOfT kot;
Iterator it = Find(kot(data));
if (it != End())
return make_pair(it, 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;
// 旧表中节点，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 make_pair(Iterator(newnode, this), true);
}
Iterator 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 Iterator(cur, this);
}
cur = cur->_next;
}
return End();
}
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)
{
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; // 指针数组
size_t _n = 0; // 表中存储数据个数
};
}
四、总结
在C++中实现自定义的myunordered_map和myunordered_set时，核心在于仿照标准库的哈希容器设计，围绕哈希表的数据结构展开。两者的底层均依赖动态数组（桶数组）与链表（或红黑树）结合的方式管理元素，通过哈希函数将键映射到桶索引，利用链地址法处理冲突。对于myunordered_map，每个节点需存储键值对pair，而myunordered_set仅需存储键值Key，因此模板参数需分别适配：map需定义键（Key）、值类型（T）、哈希函数（Hash）和键相等比较（KeyEqual），set则省略值类型。哈希函数需支持默认特化（如std::hash）和用户自定义扩展，键相等比较通常通过operator==或自定义仿函数实现。
桶数组的初始容量通常设为质数以减少哈希聚集，动态扩容通过负载因子（如默认0.75）触发，当元素数超过负载因子×桶数时，桶数组扩容至约两倍大小并重新哈希分布元素，此过程需遍历原哈希表所有节点并重新插入新桶，确保均摊时间复杂度为O(1)。迭代器的实现需跨桶遍历，内部需记录当前桶索引及链表节点指针，++操作时若当前链表遍历完毕，则跳至下一个非空桶继续。对于myunordered_map，需重载operator[]以支持类似map[key] = value的语法，其底层通过insert或find实现，若键不存在则插入默认值。
内存管理需手动分配节点内存，插入时创建新节点并挂载到对应桶链表头部，删除时需正确处理链表指针以避免断裂。与STL的差异点包括：标准库可能采用单向链表（如std::forward_list）优化内存，而自定义实现为简化可用双向链表；此外，STL在C++11后通过unordered_map::reserve预分配桶以减少扩容开销，自定义实现可类似支持。性能优化可引入桶内红黑树（当链表长度超过阈值时）以应对极端哈希冲突，但复杂度陡增。需注意哈希函数的质量，若分布不均会导致桶链表过长，退化为O(n)查找。最后，需通过单元测试覆盖边界条件（如空容器、全冲突场景、迭代器失效规则等），确保行为与标准库一致。
ps:数据结构~哈希的学习