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封装红黑树实现mymap和myset--C++

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小志biubiu
发布2025-02-27 21:04:30
发布2025-02-27 21:04:30
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源码及框架分析

SGI-STL30版本源代码,map和set的源代码在map/set/stl_map.h/stl_set.h/stl_tree.h等几个头文件中。 map和set的实现结构框架核心部分截取出来如下:

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// set
#ifndef __SGI_STL_INTERNAL_TREE_H
#include <stl_tree.h>
#endif
#include <stl_set.h>
#include <stl_multiset.h>
// map
#ifndef __SGI_STL_INTERNAL_TREE_H
#include <stl_tree.h>
#endif
#include <stl_map.h>
#include <stl_multimap.h>
// stl_set.h
template <class Key, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>
class set 
{
public:
	// typedefs:
	typedef Key key_type;
	typedef Key value_type;
private:
	typedef rb_tree<key_type, value_type,
	identity<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
	rep_type t; // red-black tree representing set
};
// stl_map.h
template <class Key, class T, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>
class map 
{
public:
	// typedefs:
	typedef Key key_type;
	typedef T mapped_type;
	typedef pair<const Key, T> value_type;
private:
	typedef rb_tree<key_type, value_type,
	select1st<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
	rep_type t; // red-black tree representing map
};
// stl_tree.h
struct __rb_tree_node_base
{
	typedef __rb_tree_color_type color_type;
	typedef __rb_tree_node_base* base_ptr;
	color_type color;
	base_ptr parent;
	base_ptr left;
	base_ptr right;
};
// stl_tree.h
template <class Key, class Value, class KeyOfValue, class Compare, class Alloc = alloc>
class rb_tree 
{
protected:
	typedef void* void_pointer;
	typedef __rb_tree_node_base* base_ptr;
	typedef __rb_tree_node<Value> rb_tree_node;
	typedef rb_tree_node* link_type;
	typedef Key key_type;
	typedef Value value_type;
public:
	// insert⽤的是第⼆个模板参数左形参
	pair<iterator,bool> insert_unique(const value_type& x);
	// erase和find⽤第⼀个模板参数做形参
	size_type erase(const key_type& x);
	iterator find(const key_type& x);
protected:
	size_type node_count; // keeps track of size of tree
	link_type header;
};
template <class Value>
struct __rb_tree_node : public __rb_tree_node_base
{
	typedef __rb_tree_node<Value>* link_type;
	Value value_field;
};
  1. 通过下图对框架的分析,我们可以看到源码中rb_tree用了一个巧妙的泛型思想实现,rb_tree是实现key的搜索场景,还是key/value的搜索场景不是直接写死的,而是由第二个模板参数Value决定_rb_tree_node中存储的数据类型。
  2. set实例化rb_tree时第二个模板参数给的是key,map实例化rb_tree时第二个模板参数给的是pair<const key, T>,这样一颗红黑树既可以实现key搜索场景的set,也可以实现key/value搜索场景的map。
  3. 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。
  4. rb_tree第二个模板参数Value已经控制了红黑树结点中存储的数据类型,为什么还要传第一个模板参数Key呢?尤其是set,两个模板参数是一样的。要注意的是对于map和set,find/erase时的函数参数都是Key,所以第一个模板参数是传给find/erase等函数做形参的类型的。对于set而言两个参数是一样的,但是对于map而言就完全不一样了,map insert的是pair对象,但是find和ease的是Key对象。
  5. 吐槽一下,这里源码命名风格比较乱,set模板参数用的Key命名,map用的是Key和T命名,而rb_tree用的又是Key和Value,可见大佬有时写代码也不规范。

模拟实现map和set

实现出复用红黑树的框架,并支持insert

  1. 参考源码框架,map和set复用之前我们实现的红黑树。
  2. 我们这里相比源码调整一下,key参数就用K,value参数就用V,红黑树中的数据类型,我们使用T。
  3. 其次因为RBTree实现了泛型不知道T参数导致是K,还是pair<K, V>,那么insert内部进行插⼊逻辑比较时,就没办法进行比较,因为pair的默认支持的是key和value一起参与比较,我们需要时的任何时候只比较key,所以我们在map和set层分别实现一个MapKeyOfT和SetKeyOfT的仿函数传给RBTree的KeyOfT,然后RBTree中通过KeyOfT仿函数取出T类型对象中的key,再进行比较,具体细节参考如下代码实现。
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// 源码中pair⽀持的<重载实现
template <class T1, class T2>
bool operator< (const pair<T1,T2>& lhs, const pair<T1,T2>& rhs)
{ return lhs.first<rhs.first || (!(rhs.first<lhs.first) &&
lhs.second<rhs.second); }
// Mymap.h
namespace bit
{
	template<class K, class V>
	class map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		bool insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			return _t.Insert(kv);
		}
	private:
		RBTree<K, pair<K, V>, MapKeyOfT> _t;
	};
} 
// Myset.h
namespace bit
{
	template<class K>
	class set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		bool insert(const K& key)
		{
			return _t.Insert(key);
		}
	private:
		RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
	};
} 
// RBTree.h
enum Colour
{
	RED,
	BLACK
};
template<class T>
struct RBTreeNode
{
	T _data;
	RBTreeNode<T>* _left;
	RBTreeNode<T>* _right;
	RBTreeNode<T>* _parent;
	Colour _col;
	RBTreeNode(const T& data)
		: _data(data)
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
	{}
};
// 实现步骤:
// 1、实现红⿊树
// 2、封装map和set框架,解决KeyOfT
// 3、iterator
// 4、const_iterator
// 5、key不⽀持修改的问题
// 6、operator[]
template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{ 
private:
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	Node* _root = nullptr;
public:
	bool Insert(const T& data)
	{
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			return 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
			{
				return false;
			}
	}
	cur = new Node(data);
	Node* newnode = cur;
	// 新增结点。颜⾊给红⾊
	cur->_col = RED;
	if (kot(parent->_data) < kot(data))
	{
		parent->_right = cur;
	} 
	else
	{
		parent->_left = cur;
	} 
	cur->_parent = parent;
	//...
	return true;
	}
}

支持iterator的实现

iterator核心源代码

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struct __rb_tree_base_iterator
{
	typedef __rb_tree_node_base::base_ptr base_ptr;
	base_ptr node;
	void increment()
	{
		if (node->right != 0) {
			node = node->right;
			while (node->left != 0)
			node = node->left;
		} 
		else {
			base_ptr y = node->parent;
			while (node == y->right) {
				node = y;
				y = y->parent;
			} 
			if (node->right != y)
				node = y;
		}
	} 
	void decrement()
	{
		if (node->color == __rb_tree_red &&
		node->parent->parent == node)
			node = node->right;
		else if (node->left != 0) {
			base_ptr y = node->left;
			while (y->right != 0)
				y = y->right;
			node = y;
		} 
		else {
			base_ptr y = node->parent;
			while (node == y->left) {
				node = y;
			y = y->parent;
			} 
			node = y;
		}
	}
};
template <class Value, class Ref, class Ptr>
struct __rb_tree_iterator : public __rb_tree_base_iterator
{
	typedef Value value_type;
	typedef Ref reference;
	typedef Ptr pointer;
	typedef __rb_tree_iterator<Value, Value&, Value*> iterator;
	__rb_tree_iterator() {}
	__rb_tree_iterator(link_type x) { node = x; }
	__rb_tree_iterator(const iterator& it) { node = it.node; }
	reference operator*() const { return link_type(node)->value_field; }
#ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR
	pointer operator->() const { return &(operator*()); }
#endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */
	self& operator++() { increment(); return *this; }
	self& operator--() { decrement(); return *this; }
inline bool operator==(const __rb_tree_base_iterator& x,
						const __rb_tree_base_iterator& y) {
	return x.node == y.node;
} 
inline bool operator!=(const __rb_tree_base_iterator& x,
						const __rb_tree_base_iterator& y) {
	return x.node != y.node;
}

iterator实现思路分析

  1. 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。
  2. 这里的难点是operator++和operator–的实现。之前使用部分,我们分析了,map和set的迭代器走的是中序遍历,左子树->根结点->右子树,那么begin()会返回中序第一个结点的iterator也就是10所在结点的迭代器。
  3. 迭代器++的核心逻辑就是不看全局,只看局部,只考虑当前中序局部要访问的下一个结点。
  4. 迭代器++时,如果it指向的结点的右子树不为空,代表当前结点已经访问完了,要访问下一个结点是右子树的中序第一个,一棵树中序第一个是最左结点,所以直接找右子树的最左结点即可。
  5. 迭代器++时,如果it指向的结点的右子树空,代表当前结点已经访问完了且当前结点所在的子树也访问完了,要访问的下一个结点在当前结点的祖先里面,所以要沿着当前结点到根的祖先路径向上找。
  6. 如果当前结点是父亲的左,根据中序左子树->根结点->右子树,那么下一个访问的结点就是当前结点的父亲;如下图:it指向25,25右为空,25是30的左,所以下一个访问的结点就是30。
  7. 如果当前结点是父亲的右,根据中序左子树->根结点->右子树,当前当前结点所在的子树访问完了,当前结点所在父亲的子树也访问完了,那么下一个访问的需要继续往根的祖先中去找,直到找到孩子是父亲左的那个祖先就是中序要问题的下一个结点。如下图:it指向15,15右为空,15是10的右,15所在子树话访问完了,10所在子树也访问完了,继续往上找,10是18的左,那么下一个访问的结点就是18。

map支持[]

  1. map要支持[]主要需要修改insert返回值支持,修改RBtree中的insert返回值为
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pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)
  1. 有了insert支持[]实现就很简单了,具体参考下面代码实现

xz::map和xz::set代码实现

代码链接如下 xz::map和xz::set代码实现

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原始发表:2024-11-14,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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  • 源码及框架分析
  • 模拟实现map和set
    • 实现出复用红黑树的框架,并支持insert
    • 支持iterator的实现
    • map支持[]
    • xz::map和xz::set代码实现
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