哈希封装unordered_map和unordered_set

小灵蛇

发布于 2024-06-06 21:34:25

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发布于 2024-06-06 21:34:25

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一. 哈希表的改造

咱们这里还是跟Map和Set的封装一样的道理，没有必要为了unordered_map和unordered_set传的参数不同就实例化两份代码，可以直接通过模板参数来解决。那么unordered_map传的是pair<key,value>，unordered_set传的是key。对于哈希表还有不懂的可以去看上一篇博客(http://t.csdnimg.cn/O5Vg5)，对Map和Set封装还有不懂的可以去看博客(http://t.csdnimg.cn/dOSOt)。

所以咱们的代码改造成：

namespace hash_bucket
{
	template<class T>
	struct HashNode
	{
		HashNode<T>* _next;
		T _data;

		HashNode(const T& data)
			:_next(nullptr)
			, _data(data)
		{}
	};

    template<class K, class T,class KeyOfT,class Hash>
    //为了获得传参中的key，用KeyOfT仿函数
    //考虑unordered_map和unordered_set里面的元素不只是整型，所以用仿函数Hash对元素进行处理
	class HashTable
	{
		typedef HashNode<T> Node;
		
	public:

		int GetNextPrimer(int val)
		{
			static const int __stl_num_primes = 28;
			static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
			{
				53,			97,			193,		389,
				1543,		3079,		6151,		12289,
				49157,		98317,		196613,		393241,
				1572869,	3145739,	6291469,	12582917,
				50331653,	100663319,	201326611,	402653189,
				1610612741, 3221225473, 4294967291
			};
			for (size_t i = 0; i < __stl_num_primes; i++)
			{
				if (__stl_prime_list[i] > val)
				{
					return __stl_prime_list[i];
				}
			}
		}
		HashTable()
		{
			_tables.resize(GetNextPrimer(1), 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;
			}
		}
        
        //插入
		bool insert(const pair<K, V>& kv) {
			if (find(kv.first))
				return false;

			//调用仿函数的匿名对象来将key转换为整数
			size_t hashi = Hash()(kv.first) % _tables.size();
			//哈希桶头插
			Node* newNode = new Node(kv);
			newNode->next = _tables[hashi];
			_tables[hashi] = newNode;
			++_n;

			return true;
		}

		//查找
		Node* find(const K& key) {
			size_t hashi = Hash()(key) % _tables.size();
			Node* cur = _tables[hashi];
			while (cur) {
				if (cur->_kv.first == key)
				{
					return cur;
				}
				cur = cur->next;
			}
			return nullptr;
		}

		//删除
		bool erase(const K& key) {
			//由于单链表中删除节点需要改变上一个节点的指向，所以这里不能find后直接erase
			size_t hashi = Hash()(key) % _tables.size();
			Node* prev = nullptr;
			Node* cur = _tables[hashi];
			while (cur) {
				//删除还要分是否为头结点
				if (cur->_kv.first == key) {
					if (cur == _tables[hashi])
						_tables[hashi] = cur->next;
					else
						prev->next = cur->next;

					delete cur;
					--_n;
					return true;
				}

				//迭代
				prev = cur;
				cur = cur->next;
			}

			return false;
		}
        private:
		    vector<Node*> _tables;//指针数组
		    size_t _n;
    };
}

到此时我们还没有出现新的东西，一切都是在《Map和Set的封装》和《哈希开散列的实现》两个基础上结合起来的。而对迭代器的封装也是如此。

二. 迭代器的封装

我们还是采用之前的模板参数来实现，需要注意的是，由于迭代器里面要用到自定义类HashTable，而由于HashTable 我把他排版在了迭代器的下面，所以我们要先在迭代器的前面申明这个类存在，因为编译器只会向上兼容，这也是一个可以借鉴的点。而我们自定义类HashTable里面也要用到迭代器，那么反过来迭代器在类的上方，可以向上兼容，所以不用在类的前面申明了。

特别注意的是：

如果你把迭代器定义在了类HashTable的下面，就无需在迭代器的上面进行声明，而要在类HashTable的上面声明迭代器的存在。
此处迭代器要对类HashTable里面的私有成员进行访问，所以要在类HashTable里面对迭代器设置友元，使迭代器能访问私有成员。

那么类HashTable中设置友元具体是：

template<class K, class T,class KeyOfT,class Hash>
class HashTable
{
	typedef HashNode<T> Node;
	//友元让迭代器能访问私有成员
	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
	friend struct __HTIterator;

    //...
private:
	vector<Node*> _tables;//指针数组
	size_t _n;
};

此处迭代器里面值得一讲的是++操作(因为哈希表开散列的结构是单链表，所以没有必要实现--操作)，我们得分情况来看，如果这个元素之后在用一个桶中还有元素，那么直接++就行；如果没有，则要依次向后找，找到下一个不为空的桶开始遍历。

//声明有HashTable这个类
template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable;
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;
	HT* _ht;

	__HTIterator(Node* node,HT* ht)
		:_node(node)
		,_ht(ht)
	{}

	T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	T* operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}
	Self& operator++()
	{
		if (_node->_next)
		{
			_node=_node->_next;
		}
		else
		{
			KeyOfT kot;
			Hash hs;
			size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();
			//下一个桶
			hashi++;
			while (hashi < _ht->_tables.size())
			{
				if (_ht->_tables[hashi])
				{
					_node = _ht->_tables[hashi];
					break;
				}
				++hashi;
			}
			if (hashi == _ht->_tables.size())
			{
				_node=nullptr;
			}
		}
		return *this;
	}

	bool operator!=(const Self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}
};

三. 哈希表整体代码

那么我们哈希表的整体代码就是：

namespace hash_bucket
{
	template<class T>
	struct HashNode
	{
		HashNode<T>* _next;
		T _data;

		HashNode(const T& data)
			:_next(nullptr)
			, _data(data)
		{}
	};

	//声明有HashTable这个类
	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
	class HashTable;
	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;
		HT* _ht;

		__HTIterator(Node* node,HT* ht)
			:_node(node)
			,_ht(ht)
		{}

		T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		T* operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}
		Self& operator++()
		{
			if (_node->_next)
			{
				_node=_node->_next;
			}
			else
			{
				KeyOfT kot;
				Hash hs;
				size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();
				//下一个桶
				hashi++;
				while (hashi < _ht->_tables.size())
				{
					if (_ht->_tables[hashi])
					{
						_node = _ht->_tables[hashi];
						break;
					}
					++hashi;
				}
				if (hashi == _ht->_tables.size())
				{
					_node=nullptr;
				}
			}
			return *this;
		}

		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _node != s._node;
		}
	};
	template<class K, class T,class KeyOfT,class Hash>
	class HashTable
	{
		typedef HashNode<T> Node;
		//友元让迭代器能访问私有成员
		template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
		friend struct __HTIterator;

	public:
		typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, Hash> iterator;

		int GetNextPrimer(int val)
		{
			static const int __stl_num_primes = 28;
			static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
			{
				53,			97,			193,		389,
				1543,		3079,		6151,		12289,
				49157,		98317,		196613,		393241,
				1572869,	3145739,	6291469,	12582917,
				50331653,	100663319,	201326611,	402653189,
				1610612741, 3221225473, 4294967291
			};
			for (size_t i = 0; i < __stl_num_primes; i++)
			{
				if (__stl_prime_list[i] > val)
				{
					return __stl_prime_list[i];
				}
			}
		}
		HashTable()
		{
			_tables.resize(GetNextPrimer(1), 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;
			}
		}

		iterator begin()
		{
			for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
			{
				if (_tables[i])
				{
					//用this将HashTable传过去
					return iterator(_tables[i],this);
				}
			}
			return end();
		}

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

		pair<iterator,bool> Insert(const T& data)
		{
			KeyOfT kot;
			iterator it = Find(data);
			if (it!=end())
			{
				return make_pair(it, false);
			}
			Hash hs;
			//负载因子到1就扩容
			if (_n == _tables.size())
			{
				//法一：采用闭散列的扩容方法--复用insert接口
				//优点：实现简单；
				//缺点：先开辟节点再释放节点代价大
				//HashTable<K, V, Hash> newHT;
				//newHT._tables.resize(_tables.size() * 2, nullptr);
				//for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i) {
				//	Node* cur = _tables[i];
				//	while (cur) {
				//		newHT.insert(cur->_kv);
				//		cur = cur->next;
				//	}
				//}
				//_tables.swap(newHT._tables);

				//法二：取原表中的节点链接到当前表中
				//缺点：实现比较复杂
				//优点：不用再去开辟新节点，也不用释放旧节点，消耗小
				//不用跟开放地址法一样重新创一个HashTable对象，因为会造成指针
				//节点创建又删除
				vector<Node*> newvector(_tables.size()*2,nullptr);
				for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
				{
					Node* cur1 = _tables[i];
					while (cur1)
					{
						Node* cur2 = cur1->_next;
						size_t hashi = hs(kot(cur1->_data)) % newvector.size();
						cur1->_next = newvector[i];
						newvector[i] = cur1;
						cur1 = cur2;
					}

					//把原来的指针置空
					_tables[i] = nullptr;
				}
				_tables.swap(newvector);
			}

			size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
			//头插不用看该位置是否为空
			Node* newnode = new Node(data);
			newnode->_next = _tables[hashi];
			_tables[hashi] = newnode;
			_n++;
			return make_pair(iterator(newnode,this), true);
		}

		iterator Find(const T& data)
		{
			KeyOfT kot;
			Hash hs;
			size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
			Node* cur = _tables[hashi];
			while (cur)
			{
				if (hs(kot(cur->_data)) == hs(kot(data)))
				{
					return iterator(cur,this);
				}
				cur = cur->_next;
			}
			return iterator(nullptr,this);
		}
		bool Erase(const T& data)
		{
			KeyOfT kot;
			Hash hs;
			size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
			Node* cur = _tables[hashi];
			Node* prev = nullptr;
			while (cur)
			{
				if (cur->_data == kot(data))
				{
					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;
	};
}

注意：由于迭代器的构造要用到HashTable，所以在HashTable类中插入操作的时候，用this返回哈希表。

四. unordered_set和unordered_map具体实现

3.1 unordered_set具体实现

那么到此时，unordered_set的具体实现已经很清楚了。这里我们要知道unordered_set里面的元素key是不能被改变的，所以为其附上const的枷锁。

//int类型
template<class K>
struct HashFunc
{
	size_t operator()(const K& key)
	{
		return (size_t)key;
	}
};

namespace yjy
{
	template<class K,class Hash=HashFunc<K>>
	class unordered_set
	{
		struct KeyOfTSet
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
	    typedef typename hash_bucket::HashTable<K,const K, KeyOfTSet, Hash>::iterator iterator;
		
		iterator begin()
		{
			return us.begin();
		}
		
		iterator end()
		{
			return us.end();
		}

		pair<iterator,bool> Insert(const K& key)
		{
			return us.Insert(key);
		}

		iterator Find(const K& key)
		{
			return us.Find(key);
		}

		bool Erase(const K& key)
		{
			us.Erase(key);
		}
		typedef hash_bucket::HashTable<K,const K, KeyOfTSet,Hash> _set;
	private:
		_set us;
	};
}

3.2 unordered_map具体实现

同样，unordered_map的具体实现已经很清楚了。这里我们要知道unordered_map的pair<key,value>里的key是不能被改变的，所以也要为其附上const的枷锁。

//int类型
template<class K>
struct HashFunc
{
	size_t operator()(const K& key)
	{
		return (size_t)key;
	}
};

namespace yjy
{
	template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
	class unordered_map
	{
		struct KeyOfTMap
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, KeyOfTMap, Hash>::iterator iterator;

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

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

		pair<iterator, bool> Insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			return um.Insert(kv);
		}
		V& operator[](const K& key)
		{
			pair<iterator, bool> ret = Insert(make_pair(key,V()));
			return ret.first->second;
		}

		iterator Find(const K& key)
		{
			return um.Find(key);
		}

		bool Erase(const K& key)
		{
			um.Erase(key);
		}
		typedef hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, KeyOfTMap, Hash> _map;
	private:
		_map um;
	};
}

总结

好了，到这里今天的知识就讲完了，大家有错误一点要在评论指出，我怕我一人搁这瞎bb，没人告诉我错误就寄了。

祝大家越来越好，不用关注我（疯狂暗示）

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原始发表：2024-06-06，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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