C++ STL中哈希表Map 与 hash_map 介绍

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C++ STL中哈希表Map 与 hash_map 介绍

标签： Map hash_map stl map

转载地址：http://blog.youkuaiyun.com/txl199106/article/details/51074791

目录(?)[+]

0 为什么需要hash_map
1 数据结构hash_map原理
2 hash_map 使用
3 相关hash容器
4 其他

0 为什么需要hash_map

用过map吧？map提供一个很常用的功能，那就是提供key-value的存储和查找功能。例如，我要记录一个人名和相应的存储，而且随时增加，要快速查找和修改：

岳不群－华山派掌门人，人称君子剑
张三丰－武当掌门人，太极拳创始人
东方不败－第一高手，葵花宝典
...

这些信息如果保存下来并不复杂，但是找起来比较麻烦。例如我要找"张三丰"的信息，最傻的方法就是取得所有的记录，然后按照名字一个一个比较。如果要速度快，就需要把这些记录按照字母顺序排列，然后按照二分法查找。但是增加记录的时候同时需要保持记录有序，因此需要插入排序。考虑到效率，这就需要用到二叉树。讲下去会没完没了，如果你使用STL 的map容器，你可以非常方便的实现这个功能，而不用关心其细节。关于map的数据结构细节，感兴趣的朋友可以参看学习STL map, STL set之数据结构基础。看看map的实现:

[cpp] view plain copy

print ?

#include <map>
#include <string>
using namespace std;
...
map<string, string> namemap;
//增加。。。
namemap["岳不群"]="华山派掌门人，人称君子剑";
namemap["张三丰"]="武当掌门人，太极拳创始人";
namemap["东方不败"]="第一高手，葵花宝典";
...
//查找。。
if(namemap.find("岳不群") != namemap.end()){
...
}

#include <map>
#include <string>
using namespace std;
...
map<string, string> namemap;
//增加。。。
namemap["岳不群"]="华山派掌门人，人称君子剑";
namemap["张三丰"]="武当掌门人，太极拳创始人";
namemap["东方不败"]="第一高手，葵花宝典";
...
//查找。。
if(namemap.find("岳不群") != namemap.end()){
        ...
}

不觉得用起来很easy吗？而且效率很高，100万条记录，最多也只要20次的string.compare的比较，就能找到你要找的记录;200万条记录事，也只要用21次的比较。

速度永远都满足不了现实的需求。如果有100万条记录，我需要频繁进行搜索时，20次比较也会成为瓶颈，要是能降到一次或者两次比较是否有可能？而且当记录数到200万的时候也是一次或者两次的比较，是否有可能？而且还需要和map一样的方便使用。

答案是肯定的。这时你需要has_map. 虽然hash_map目前并没有纳入C++ 标准模板库中，但几乎每个版本的STL都提供了相应的实现。而且应用十分广泛。在正式使用hash_map之前，先看看hash_map的原理。

1 数据结构：hash_map原理

这是一节让你深入理解hash_map的介绍，如果你只是想囫囵吞枣，不想理解其原理，你倒是可以略过这一节，但我还是建议你看看，多了解一些没有坏处。

hash_map基于hash table（哈希表）。哈希表最大的优点，就是把数据的存储和查找消耗的时间大大降低，几乎可以看成是常数时间；而代价仅仅是消耗比较多的内存。然而在当前可利用内存越来越多的情况下，用空间换时间的做法是值得的。另外，编码比较容易也是它的特点之一。

其基本原理是：使用一个下标范围比较大的数组来存储元素。可以设计一个函数（哈希函数，也叫做散列函数），使得每个元素的关键字都与一个函数值（即数组下标，hash值）相对应，于是用这个数组单元来存储这个元素；也可以简单的理解为，按照关键字为每一个元素“分类”，然后将这个元素存储在相应“类”所对应的地方，称为桶。

但是，不能够保证每个元素的关键字与函数值是一一对应的，因此极有可能出现对于不同的元素，却计算出了相同的函数值，这样就产生了“冲突”，换句话说，就是把不同的元素分在了相同的“类”之中。总的来说，“直接定址”与“解决冲突”是哈希表的两大特点。

hash_map，首先分配一大片内存，形成许多桶。是利用hash函数，对key进行映射到不同区域（桶）进行保存。其插入过程是：

得到key
通过hash函数得到hash值
得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
存放key和value在桶内。

其取值过程是:

得到key
通过hash函数得到hash值
得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
比较桶的内部元素是否与key相等，若都不相等，则没有找到。
取出相等的记录的value。

hash_map中直接地址用hash函数生成，解决冲突，用比较函数解决。这里可以看出，如果每个桶内部只有一个元素，那么查找的时候只有一次比较。当许多桶内没有值时，许多查询就会更快了(指查不到的时候).

由此可见，要实现哈希表, 和用户相关的是：hash函数和比较函数。这两个参数刚好是我们在使用hash_map时需要指定的参数。

2 hash_map 使用

2.1 一个简单实例

不要着急如何把"岳不群"用hash_map表示，我们先看一个简单的例子：随机给你一个ID号和ID号相应的信息，ID号的范围是1～2的31次方。如何快速保存查找。

[cpp] view plain copy

print ?

#include <hash_map>
#include <string>
using namespace std;
int main(){
hash_map<int, string> mymap;
mymap[9527]="唐伯虎点秋香";
mymap[1000000]="百万富翁的生活";
mymap[10000]="白领的工资底线";
...
if(mymap.find(10000) != mymap.end()){
...
}

#include <hash_map>
#include <string>
using namespace std;
int main(){
        hash_map<int, string> mymap;
        mymap[9527]="唐伯虎点秋香";
        mymap[1000000]="百万富翁的生活";
        mymap[10000]="白领的工资底线";
        ...
        if(mymap.find(10000) != mymap.end()){
                ...
        }

够简单，和map使用方法一样。这时你或许会问？hash函数和比较函数呢？不是要指定么？你说对了，但是在你没有指定hash函数和比较函数的时候，你会有一个缺省的函数，看看hash_map的声明，你会更加明白。下面是SGI STL的声明：

template <class _Key, class _Tp, class _HashFcn = hash<_Key>,
class _EqualKey = equal_to<_Key>,
class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
class hash_map
{
        ...
}

也就是说，在上例中，有以下等同关系：

...
hash_map<int, string> mymap;
//等同于:
hash_map<int, string, hash<int>, equal_to<int> > mymap;

Alloc我们就不要取关注太多了(希望深入了解Allocator的朋友可以参看标准库 STL ：Allocator能做什么)

hash_map类在头文件hash_map中，和所有其它的C++标准库一样，头文件没有扩展名。如下声明：

[cpp] view plain copy

print ?

#include <hash_map>
using namespace std;
using namespace stdext;

#include <hash_map>  
using namespace std;  
using namespace stdext;

hash_map是一个聚合类，它继承自_Hash类，包括一个vector，一个list和一个pair，其中vector用于保存桶，list用于进行冲突处理，pair用于保存key->value结构，简要地伪码如下：

[cpp] view plain copy

print ?

class hash_map<class _Tkey, class _Tval>
{
private:
typedef pair<_Tkey, _Tval> hash_pair;
typedef list<hash_pair> hash_list;
typedef vector<hash_list> hash_table;
};

class hash_map<class _Tkey, class _Tval>  
{  
private:  
    typedef pair<_Tkey, _Tval> hash_pair;  
    typedef list<hash_pair>    hash_list;  
    typedef vector<hash_list>  hash_table;  
};

当然，这只是一个简单模型，C++标准库的泛型模版一向以嵌套复杂而闻名，初学时看类库，无疑天书啊。微软的hash_map类还聚合了hash_compare仿函数类，hash_compare类里又聚合了less仿函数类，乱七八糟的。

2.2 hash_map 的hash函数

hash< int>到底是什么样子？看看源码:

struct hash<int> {
        size_t operator()(int __x) const { return __x; }
};

原来是个函数对象。在SGI STL中，提供了以下hash函数：

[cpp] view plain copy

print ?

struct hash<char*>
struct hash<const char*>
struct hash<char>
struct hash<unsigned char>
struct hash<signed char>
struct hash<short>
struct hash<unsigned short>
struct hash<int>
struct hash<unsigned int>
struct hash<long>
struct hash<unsigned long>

struct hash<char*>
struct hash<const char*>
struct hash<char> 
struct hash<unsigned char> 
struct hash<signed char>
struct hash<short>
struct hash<unsigned short> 
struct hash<int> 
struct hash<unsigned int>
struct hash<long> 
struct hash<unsigned long>

也就是说，如果你的key使用的是以上类型中的一种，你都可以使用缺省的hash函数。当然你自己也可以定义自己的hash函数。对于自定义变量，你只能如此，例如对于string，就必须自定义hash函数。例如：

[cpp] view plain copy

print ?

struct str_hash{
size_t operator()(const string& str) const
{
unsigned long __h = 0;
for (size_t i = 0 ; i < str.size() ; i ++)
__h = 5*__h + str[i];
return size_t(__h);
}
};
//如果你希望利用系统定义的字符串hash函数，你可以这样写：
struct str_hash{
size_t operator()(const string& str) const
{
return __stl_hash_string(str.c_str());
}
};

struct str_hash{
        size_t operator()(const string& str) const
        {
                unsigned long __h = 0;
                for (size_t i = 0 ; i < str.size() ; i ++)
                __h = 5*__h + str[i];
                return size_t(__h);
        }
};
//如果你希望利用系统定义的字符串hash函数，你可以这样写：
struct str_hash{
        size_t operator()(const string& str) const
        {
                return __stl_hash_string(str.c_str());
        }
};

在声明自己的哈希函数时要注意以下几点：

使用struct，然后重载operator().
返回是size_t
参数是你要hash的key的类型。
函数是const类型的。

如果这些比较难记，最简单的方法就是照猫画虎，找一个函数改改就是了。

现在可以对开头的"岳不群"进行哈希化了 . 直接替换成下面的声明即可：

map<string, string> namemap; 
//改为：
hash_map<string, string, str_hash> namemap;

其他用法都不用边。当然不要忘了吧str_hash的声明以及头文件改为hash_map。

你或许会问：比较函数呢？别着急，这里就开始介绍hash_map中的比较函数。

2.3 hash_map 的比较函数

在map中的比较函数，需要提供less函数。如果没有提供，缺省的也是less< Key> 。在hash_map中，要比较桶内的数据和key是否相等，因此需要的是是否等于的函数:equal_to< Key> 。先看看equal_to的源码：

[cpp] view plain copy

print ?

//本代码可以从SGI STL
//先看看binary_function 函数声明，其实只是定义一些类型而已。
template <class _Arg1, class _Arg2, class _Result>
struct binary_function {
typedef _Arg1 first_argument_type;
typedef _Arg2 second_argument_type;
typedef _Result result_type;
};
//看看equal_to的定义：
template <class _Tp>
struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>
{
bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }
};

//本代码可以从SGI STL
//先看看binary_function 函数声明，其实只是定义一些类型而已。
template <class _Arg1, class _Arg2, class _Result>
struct binary_function {
        typedef _Arg1 first_argument_type;
        typedef _Arg2 second_argument_type;
        typedef _Result result_type;
};
//看看equal_to的定义：
template <class _Tp>
struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>
{
        bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }
};

如果你使用一个自定义的数据类型，如struct mystruct, 或者const char* 的字符串，如何使用比较函数？使用比较函数，有两种方法. 第一种是：重载==操作符，利用equal_to;看看下面的例子：

[cpp] view plain copy

print ?

struct mystruct{
int iID;
int len;
bool operator==(const mystruct & my) const{
return (iID==my.iID) && (len==my.len) ;
}
};
这样，就可以使用equal_to< mystruct>作为比较函数了。另一种方法就是使用函数对象。自定义一个比较函数体：
struct compare_str{
bool operator()(const char* p1, const char*p2) const{
return strcmp(p1,p2)==0;
}
};
有了compare_str，就可以使用hash_map了。
typedef hash_map<const char*, string, hash<const char*>, compare_str> StrIntMap;
StrIntMap namemap;
namemap["岳不群"]="华山派掌门人，人称君子剑";
namemap["张三丰"]="武当掌门人，太极拳创始人";
namemap["东方不败"]="第一高手，葵花宝典";

struct mystruct{
        int iID;
        int  len;
        bool operator==(const mystruct & my) const{
                return (iID==my.iID) && (len==my.len) ;
        }
};
这样，就可以使用equal_to< mystruct>作为比较函数了。另一种方法就是使用函数对象。自定义一个比较函数体：
struct compare_str{
        bool operator()(const char* p1, const char*p2) const{
                return strcmp(p1,p2)==0;
        }
};
有了compare_str，就可以使用hash_map了。
typedef hash_map<const char*, string, hash<const char*>, compare_str> StrIntMap;
StrIntMap namemap;
namemap["岳不群"]="华山派掌门人，人称君子剑";
namemap["张三丰"]="武当掌门人，太极拳创始人";
namemap["东方不败"]="第一高手，葵花宝典";

2.4 hash_map 函数

hash_map的函数和map的函数差不多。具体函数的参数和解释，请参看：STL 编程手册：Hash_map，这里主要介绍几个常用函数。

hash_map(size_type n) 如果讲究效率，这个参数是必须要设置的。n 主要用来设置hash_map 容器中hash桶的个数。桶个数越多，hash函数发生冲突的概率就越小，重新申请内存的概率就越小。n越大，效率越高，但是内存消耗也越大。
const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找，输入为键值，返回为迭代器。
data_type& operator[](const key_type& k) . 这是我最常用的一个函数。因为其特别方便，可像使用数组一样使用。不过需要注意的是，当你使用[key ]操作符时，如果容器中没有key元素，这就相当于自动增加了一个key元素。因此当你只是想知道容器中是否有key元素时，你可以使用find。如果你希望插入该元素时，你可以直接使用[]操作符。
insert 函数。在容器中不包含key值时，insert函数和[]操作符的功能差不多。但是当容器中元素越来越多，每个桶中的元素会增加，为了保证效率，hash_map会自动申请更大的内存，以生成更多的桶。因此在insert以后，以前的iterator有可能是不可用的。
erase 函数。在insert的过程中，当每个桶的元素太多时，hash_map可能会自动扩充容器的内存。但在sgi stl中是erase并不自动回收内存。因此你调用erase后，其他元素的iterator还是可用的。

3 相关hash容器

hash 容器除了hash_map之外，还有hash_set, hash_multimap, has_multiset, 这些容器使用起来和set, multimap, multiset的区别与hash_map和map的区别一样，我想不需要我一一细说了吧。

4 其他

这里列几个常见问题，应该对你理解和使用hash_map比较有帮助。

4.1 hash_map和map的区别在哪里？

构造函数。hash_map需要hash函数，等于函数；map只需要比较函数(小于函数).
存储结构。hash_map采用hash表存储，map一般采用红黑树(RB Tree)实现。因此其memory数据结构是不一样的。

4.2 什么时候需要用hash_map，什么时候需要用map?

总体来说，hash_map 查找速度会比map快，而且查找速度基本和数据数据量大小，属于常数级别;而map的查找速度是log(n)级别。并不一定常数就比log(n)小，hash还有hash函数的耗时，明白了吧，如果你考虑效率，特别是在元素达到一定数量级时，考虑考虑hash_map。但若你对内存使用特别严格，希望程序尽可能少消耗内存，那么一定要小心，hash_map可能会让你陷入尴尬，特别是当你的hash_map对象特别多时，你就更无法控制了，而且hash_map的构造速度较慢。

现在知道如何选择了吗？权衡三个因素: 查找速度, 数据量, 内存使用。

这里还有个关于hash_map和map的小故事，看看:http://dev.youkuaiyun.com/Develop/article/14/14019.shtm

4.3 如何在hash_map中加入自己定义的类型?

你只要做两件事, 定义hash函数，定义等于比较函数。下面的代码是一个例子：

[cpp] view plain copy

print ?

#include <hash_map>
#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;
//define the class
class ClassA{
public:
ClassA(int a):c_a(a){}
int getvalue()const { return c_a;}
void setvalue(int a){c_a;}
private:
int c_a;
};
//1 define the hash function
struct hash_A{
size_t operator()(const class ClassA & A)const{
// return hash<int>(classA.getvalue());
return A.getvalue();
}
};
//2 define the equal function
struct equal_A{
bool operator()(const class ClassA & a1, const class ClassA & a2)const{
return a1.getvalue() == a2.getvalue();
}
};
int main()
{
hash_map<ClassA, string, hash_A, equal_A> hmap;
ClassA a1(12);
hmap[a1]="I am 12";
ClassA a2(198877);
hmap[a2]="I am 198877";
cout<<hmap[a1]<<endl;
cout<<hmap[a2]<<endl;
return 0;
}
运行：
I am 12
I am 198877

#include <hash_map>
#include <string>
#include <iostream>

using namespace std;
//define the class
class ClassA{
        public:
        ClassA(int a):c_a(a){}
        int getvalue()const { return c_a;}
        void setvalue(int a){c_a;}
        private:
        int c_a;
};

//1 define the hash function
struct hash_A{
        size_t operator()(const class ClassA & A)const{
                //  return  hash<int>(classA.getvalue());
                return A.getvalue();
        }
};

//2 define the equal function
struct equal_A{
        bool operator()(const class ClassA & a1, const class ClassA & a2)const{
                return  a1.getvalue() == a2.getvalue();
        }
};

int main()
{
        hash_map<ClassA, string, hash_A, equal_A> hmap;
        ClassA a1(12);
        hmap[a1]="I am 12";
        ClassA a2(198877);
        hmap[a2]="I am 198877";
        
        cout<<hmap[a1]<<endl;
        cout<<hmap[a2]<<endl;
        return 0;
}
运行：
I am 12
I am 198877

4.4如何用hash_map替换程序中已有的map容器？

这个很容易，但需要你有良好的编程风格。建议你尽量使用typedef来定义你的类型：

typedef map<Key, Value> KeyMap;

当你希望使用hash_map来替换的时候，只需要修改:

typedef hash_map<Key, Value> KeyMap;

其他的基本不变。当然，你需要注意是否有Key类型的hash函数和比较函数。

4.5为什么hash_map不是标准的？

具体为什么不是标准的，我也不清楚，有个解释说在STL加入标准C++之时，hash_map系列当时还没有完全实现，以后应该会成为标准。如果谁知道更合理的解释，也希望告诉我。但我想表达的是，正是因为hash_map不是标准的，所以许多平台上安装了g++编译器，不一定有hash_map的实现。我就遇到了这样的例子。因此在使用这些非标准库的时候，一定要事先测试。另外，如果考虑到平台移植，还是少用为佳。

常见问题：

本来想用hash_map实现大数量的快速查找，后来发现效率并不快，而且有些问题也很不解，比如看如下代码：

[cpp] view plain copy

print ?