【面试】标准库相关题型（三）

1. unordered_map底层实现原理

一句话概括：unordered_map 是基于散列表实现的 map。

1.1 散列表

1. 定义和操作

   散列表是一种数据结构，它通过哈希函数把键（key）映射到哈希表的一个位置，然后在这个位置上存储键值对（key-value pair）。在 C++ 中，哈希表可以通过一个数组和一个哈希函数实现。

   template<typename Key, typename Value>
   class HashTable {
        
       vector<list<pair<Key, Value>>> data;  // 哈希表数据
       // 其他数据成员和函数成员...
   };
   

2. 哈希碰撞和解决方案

   哈希碰撞是指多个不同的键被哈希函数映射到哈希表的同一个位置。主要有以下三种处理哈希碰撞的方法：

   • 线性探测：当碰撞发生时，向后寻找下一个空位存放数据。
   • 开放寻址：同样是在发生碰撞时向后寻找，但会使用二次哈希等方法改变探测的步长。
   • 拉链法：使用链表处理碰撞，把同一位置的键值对存入一个链表。

   STL 中的 unordered_map 使用的是拉链法处理哈希碰撞。

   // 拉链法的实现示例
   int hashFunc(Key key) {
         /* 哈希函数... */ }
   
   void insert(Key key, Value value) {
        
       int index = hashFunc(key);
       data[index].push_back(make_pair(key, value));  // 在链表尾部添加键值对
   }
   

3. 负载因子

   负载因子是散列表的实际元素数量和位置数量（桶的数量）的比值。当负载因子过高时，哈希碰撞的概率增加，查询效率降低。

4. 重新哈希

   当负载因子大于预设阈值（通常为1）时，会发起重新哈希（rehash），即扩大位置数量，并重新分配所有元素。

   void rehash() {
        
       // 创建新的更大的哈希表，把所有元素重新分配到新的哈希表
   }
   

1.2 STL 中的 unordered_map 的实现

1. 哈希表的模板参数

   unordered_map 采用了复杂的模板参数设计，主要包括键类型 _Key、值类型 _Value、内存分配器 _Alloc、提取键的函数 _ExtractKey、比较键是否相等的函数 _Equal、哈希函数 _H1、映射函数 _H2、调用哈希函数和映射函数的函数 _Hash、重新哈希策略 _RehashPolicy 以及内存相关的 _Traits 等。

2. 数据成员

   • _M_buckets：哈希表的指针数组，数组的每个元素是一个链表。
   • _M_bucket_count：数组长度，即哈希表的位置数量。
   • _M_element_count：实际存储的元素数量。
   • _M_before_begin：一个特殊的节点，它的下一个节点是哈希表的第一个节点。
   • _M_rehash_policy：重新哈希的策略对象，它决定何时需要重新哈希。
   • _M_single_bucket：一个临时的单节点桶，用于临时存储元素。

3. 节点定义

   每个节点是一个结构体，包含了键值对的存储空间 _M_storage 和其他需要的信息。

   struct _Hash_node : _Hash_node_base {
        
       __stored_ptr _M_storage;
   };
   

4. 主要的接口

   unordered_map 主要的接口包括插入、查找、删除等操作，它们的实现都是调用哈希表的对应函数。其中，插入操作 _M_insert_bucket_begin 是先确定插入的位置，然后在这个位置的链表头部插入新的键值对。

1.3 unordered_map

1. 定义

   unordered_map 是一个模板类，它的模板参数包括键类型、值类型、哈希函数、比较函数和内存分配器。它的主要数据成员是一个 _Hashtable 对象。

   template<typename _Key, typename _Tp, typename _Hash = std::hash<_Key>, typename _Pred = std::equal_to<_Key>, typename _Alloc = std::allocator<std::pair<