【C++】——用哈希封装unordered_set和unordered_map

于 2024-11-09 20:21:13 发布
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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 哈希算法 开发语言 c语言 算法
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unordered_set和unordered_map的结构

unordered_set和unordered_map的底层就是开散列的哈希表。

template<class K, class Hash = HashFunc<K>> // 在我上一篇博客哈希中介绍了对string类型的特化
class unordered_set
{
public:
    //成员函数
private:
    hash_bucket::HashTable<K,const K,Hash> _ht; // 加const是为了防止K被修改
};

template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_map
{
public:
    //成员函数
private:
    hash_bucket::HashTable<K, pair<const K,V,Hash>> _ht;// 加const是为了防止K被修改
};

改造哈希表

改造哈希表节点模版参数

为了更加灵活，我们把哈希表的模版参数定义为T

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

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

增加仿函数

搞个仿函数帮助我们提取键值

struct SetKeyOfT
{
	const K& operator() (const K& key)
	{
		return key;
	}
};

struct MapKeyOfT
{
	const K& operator()(const pair<K,V>& kv)
	{
		return kv.first;
	}
};

改造插入

我们的比较除了用仿函数替换以外，以及需要将key通过对应的转换函数转换以外，还需要将返回值改造了，返回值是pair类型，第一个参数是迭代器，第二个是bool值

在我的set和map那篇博客中提到过：
insert不仅仅可以插入，还有查找功能。
所以
若待插入元素的键值key在容器当中不存在，则insert函数插入成功，并返回插入后元素的迭代器和true。
若待插入元素的键值key在容器当中已经存在，则insert函数插入失败，并返回容器当中键值为key的元素的迭代器和false。

pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)
{
	KeyOfT kot;
	Iterator it = Find(kot(data));
	if (it != End())
		return { it, false};

	Hash hash;

	// 负载因子 == 1时扩容
	if (_n == _tables.size())
	{
		/*HashTable<K, V> newht;
		newht._tables.resize(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
		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);*/
		vector<Node*> newTable(__stl_next_prime(_tables.size()+1));
		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
		{
			Node* cur = _tables[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;
				// 头插到新表
				size_t hashi = hash(kot(cur->_data)) % newTable.size();
				cur->_next = newTable[hashi];
				newTable[hashi] = cur;

				cur = next;
			}

			_tables[i] = nullptr;// 将原哈希桶置空

		}
		// 通过交换让原本哈希表自动回收，同时新哈希表成为当前使用的哈希表
		_tables.swap(newTable);
	}
	// 计算插入位置
	size_t hashi = hash(kot(data)) % _tables.size();
	// 头插
	Node* newnode = new Node(data);
	newnode->_next = _tables[hashi];
	_tables[hashi] = newnode;
	++_n;

	return { Iterator(newnode, this), false };
}

改造删除和查找

删除和查找函数中除了比较需要用仿函数替换，以及需要将key通过对应的转换函数转换以外没什么需要注意的地方。

bool Erase(const K& key)
{
	KeyOfT kot;
	size_t hashi = key % _tables.size();
	// 记录前一个节点，等会好链接
	Node* prev = nullptr;
	Node* cur = _tables[hashi];
	while (cur)
	{
		if (kot(cur->_data) == key)
		{
			if (prev == nullptr)
			{
				// 头结点
				_tables[hashi] = cur->_next;
			}
			else
			{
				// 中间节点
				prev->_next = cur->_next;
			}

			delete cur;
			--_n;

			return true;
		}
		else
		{	// 没找到就遍历下一个
			prev = cur;
			cur = cur->_next;
		}
	}

	return false;
}
Iterator Find(const K& key)
{
	KeyOfT kot;
	Hash hash;
	size_t hashi = hash(key) % _tables.size();
	Node* cur = _tables[hashi];
	while (cur)
	{
		if (kot(cur->_data) == key)
		{
			return Iterator(cur, this);
		}

		cur = cur->_next;
	}

	return End();
}

迭代器

正因为unordered_set和unordered_map底层是开散列的哈希表，有些节点与节点之间并不连续，所以迭代器也肯定需要进行封装。
为了同时支持const迭代器与普通迭代器，我们需要三个模版参数，第一个模版参数T代表数据存储类型，第二个模版参数Ref代表存储类型的引用，第三个模版参数Ptr代表存储类型的指针。
在迭代器中应该有两个参数，一个就是节点指针，另一个就是我们的哈希表的指针，因为我们可能需要遍历哈希表的下一个桶的位置。其中为了方便访问哈希表的私有成员我们可以将迭代器设为友元类，并且在最开始要给出哈希表的声明。然后我们重载如*，->等常见操作符。

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable;

template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyOfT, class Hash>
struct HTIterator
{
	typedef HashNode<T> Node;
	typedef HashTable<K, T, KeyOfT, Hash> HT;
	typedef HTIterator<K, T, Ref, Ptr, KeyOfT, Hash> Self;

	Node* _node;
	const HT* _ht;

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

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

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

begin()就是哈希表中第一个有数据的节点，end()可以先设置为nullptr

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);
}

因为哈希表迭代器通常是单向迭代器，所以只支持++操作，如果想实现–也可以搞一个双链表的哈希桶

Self& operator++()
{
	if (_node->_next)
	{
		// 当前桶还有数据，走到当前桶下一个节点
		_node = _node->_next;
	}
	else
	{
		// 当前桶走完了，找下一个不为空的桶
		KeyOfT kot;
		Hash hash;
		size_t hashi = hash(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();
		++hashi;
		while (hashi < _ht->_tables.size())
		{
			_node = _ht->_tables[hashi];

			if (_node)
				break;
			else
				++hashi;
		}

		// 所有桶都走完了，end()给的空标识的_node
		if (hashi == _ht->_tables.size())
		{
			_node = nullptr;
		}
	}

	return *this;
}

因为unordered_set键和值相同，所以它的迭代器一般是const迭代器，就是为了防止K被修改。所以我们也重载一个构造函数，将普通迭代器初始化为一个const迭代器。

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

最后直接复用改造好的哈希表接口就行

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();
	}

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

	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;
};

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;

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

	iterator begin()
	{
		return _ht.Begin();
	}

	iterator end()
	{
		return _ht.End();
	}

	const_iterator begin() const
	{
		return _ht.Begin();
	}

	const_iterator end() const
	{
		return _ht.End();
	}

	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;
};

完整代码

HashTable.h

#pragma once  
#include <vector>  
#include <iostream>
using namespace std;

enum State 
{
    EMPTY,
    EXIST,
    DELETE 
};

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

template<> // 在key为string时，编译器会优先选择全特化
struct HashFunc<string>
{
    size_t operator()(const string& s)
    {
        size_t ret = 0;
        for (auto a : s)
        {
            ret += a;
            ret *= 131;
        }
        return ret;
    }
};

inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
{
    // Note: assumes long is at least 32 bits.
    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;
}

namespace open_address
{
    // 为了方便进行比较所写的仿函数
    template<class K>
    struct HashFunc
    {
        size_t operator()(const K& key)
        {
            return (size_t)key;
        }
    };

    

    template<class K, class V>
    struct HashData
    {
        pair<K, V> _kv;
        State _state = EMPTY;
    };

  

    template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
    class HashTable
    {
    public:
        HashTable()
            : _tables(11)
            , _n(0)
        {}

        bool Insert(const std::pair<K, V>& kv)
        {
            if (Find(kv.first))
                return false;

            if (_n * 10 / _tables.size() >= 7)
            {
                HashTable<K, V> newht;
                newht._tables.reserve(_tables.size() * 2);
                for (auto& data : _tables)
                {
                    if (data._state == EXIST)
                    {
                        newht.Insert(data._kv);
                    }
                }
                _tables.swap(newht._tables);
            }
            Hash hash;
            size_t hash0 = hash(kv.first) % _tables.size();
            size_t hashi = hash0;
            size_t i = 1;
            while (_tables[hashi]._state == EXIST)
            {
                hashi = (hash0 + i) & _tables.size();
                ++i;
            }

            _tables[hashi]._kv = kv;
            _tables[hashi]._state = EXIST;
            ++_n;
            return true;
        }

        HashData<K, V>* Find(const K& key)
        {
            Hash hash;
            size_t hash0 = hash(key) % _tables.size();
            size_t hashi = hash0;
            size_t i = 1;
            while (_tables[hashi]._state != EMPTY)
            {
                if (_tables[hashi]._kv.first == key)
                {
                    return &_tables[hashi];
                }
                hashi = (hash0 + i) & _tables.size();
                ++i;
            }
            return nullptr;
        }

        bool Erase(const K& key)
        {
            HashData<K, V>* ret = Find(key);
            if (ret)
            {
                ret->_state = DELETE;
                return true;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        }

    private:
        vector<HashData<K, V>> _tables;
        size_t _n; // 记录数据个数 
    };
}




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 Ref, class Ptr, class KeyOfT, class Hash>
	struct HTIterator
	{
		typedef HashNode<T> Node;
		typedef HashTable<K, T, KeyOfT, Hash> HT;
		typedef HTIterator<K, T, Ref, Ptr, KeyOfT, Hash> Self;

		Node* _node;
		const HT* _ht;

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

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

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

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

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

		Self& operator++()
		{
			if (_node->_next)
			{
				// 当前桶还有数据，走到当前桶下一个节点
				_node = _node->_next;
			}
			else
			{
				// 当前桶走完了，找下一个不为空的桶
				KeyOfT kot;
				Hash hash;
				size_t hashi = hash(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();
				++hashi;
				while (hashi < _ht->_tables.size())
				{
					_node = _ht->_tables[hashi];

					if (_node)
						break;
					else
						++hashi;
				}

				// 所有桶都走完了，end()给的空标识的_node
				if (hashi == _ht->_tables.size())
				{
					_node = nullptr;
				}
			}

			return *this;
		}

	};

	template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
	class HashTable
	{
		// 友元声明
		template<class K, class T, class Ref, class Ptr, 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);
		}

		HashTable()
			:_tables(__stl_next_prime(0))
			, _n(0)
		{}

		// 拷贝构造和赋值重载也需要

		~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;
			}
		}

		pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)
		{
			KeyOfT kot;
			Iterator it = Find(kot(data));
			if (it != End())
				return { it, false};

			Hash hash;

			// 负载因子 == 1时扩容
			if (_n == _tables.size())
			{
				/*HashTable<K, V> newht;
				newht._tables.resize(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
				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);*/
				vector<Node*> newTable(__stl_next_prime(_tables.size()+1));
				for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
				{
					Node* cur = _tables[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;
						// 头插到新表
						size_t hashi = hash(kot(cur->_data)) % newTable.size();
						cur->_next = newTable[hashi];
						newTable[hashi] = cur;

						cur = next;
					}

					_tables[i] = nullptr;// 将原哈希桶置空

				}
				// 通过交换让原本哈希表自动回收，同时新哈希表成为当前使用的哈希表
				_tables.swap(newTable);
			}
			// 计算插入位置
			size_t hashi = hash(kot(data)) % _tables.size();
			// 头插
			Node* newnode = new Node(data);
			newnode->_next = _tables[hashi];
			_tables[hashi] = newnode;
			++_n;

			return { Iterator(newnode, this), false };
		}

		Iterator Find(const K& key)
		{
			KeyOfT kot;
			Hash hash;
			size_t hashi = hash(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;
			size_t hashi = key % _tables.size();
			// 记录前一个节点，等会好链接
			Node* prev = nullptr;
			Node* cur = _tables[hashi];
			while (cur)
			{
				if (kot(cur->_data) == key)
				{
					if (prev == nullptr)
					{
						// 头结点
						_tables[hashi] = cur->_next;
					}
					else
					{
						// 中间节点
						prev->_next = cur->_next;
					}

					delete cur;
					--_n;

					return true;
				}
				else
				{
					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
}
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