【C++】哈希表封装 unordered_map 和 unordered_set 的实现过程

Ne0inhk

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【C++】哈希表封装 unordered_map 和 unordered_set 的实现过程
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C++语法相关知识点可以通过点击以下链接进行学习一起加油！
命名空间缺省参数与函数重载C++相关特性类和对象-上篇类和对象-中篇
类和对象-下篇日期类C/C++内存管理模板初阶String使用
String模拟实现Vector使用及其模拟实现List使用及其模拟实现容器适配器Stack与QueuePriority Queue与仿函数
模板进阶-模板特化面向对象三大特性-继承机制面向对象三大特性-多态机制STL 树形结构容器二叉搜索树
AVL树红黑树红黑树封装map/set哈希-开篇闭散列-模拟实现哈希
哈希桶-模拟实现哈希
本篇将讲述如何通过哈希表封装 unordered_map 和 unordered_set 容器。在开始本章内容之前，建议先阅读红黑树封装 map 和 set一文，以便更好地理解编译器如何区分 unordered_map 和 unordered_set 并调用底层哈希表。
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这里哈希表将采用哈希桶的方式解决哈希冲突且实现哈希表结构，那么我们需要对哈希表节点类型进行处理，同时设计编译器去识别unordered_map/set的逻辑。

一、节点类型

如果我们想使用哈希表封装unordered_map/set容器，就需要考虑泛型编程，将节点类型统一成T类型

template<classT>structHashNode{ T _data; HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data),_next(nullptr){}};

二、区分unordered_map/set容器

编译器是无非确定你需要啥容器**，这里我们可以通过外部输入数据，使得编译器明确你需要啥容器，该容器都有一套属于返回K类型的仿函数**，只要unordered_set是否会多余，这里可以参考红黑树封装map/set文章，这里是为了跟map构成模板，陪太子读书。

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既然我们希望可以通过手动输入数据，得到预计效果，那么关于HashFunc函数也是期望从外部调用，这里可以写到外面来。（图片写错了，这里看下面的）

template<class K,class Hash = HashFunc > and template<class K,class T,class Hash = HashFunc>

三、相关文件修改后

3.1 HashTable.h

#pragmaonce#include<iostream>usingnamespace std;#include<string>#include<vector>template<classK>structHashFunc{ size_t operator()(const K& key){return(size_t)key;}};template<>structHashFunc<string>{ size_t operator()(const string& key){ size_t hash =0;for(auto ch : key){ hash *=131; hash += ch;}return hash;}};namespace hash_bucket {template<classT>structHashNode{ T _data; HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data),_next(nullptr){}};template<classK,classT,classKeyOfT,classHash>classHashTable{public:typedef HashNode<T> Node;HashTable(){ _tables.resize(10,nullptr);}~HashTable(){for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];while(cur){ Node* next = cur->_next;delete cur; cur = next;}}}boolInsert(const T& data){ Hash hs; KeyOfT kot;if(Find(kot(data)){returnfalse;}if(_n == _tables.size()){ vector<Node*>NewTable(n *10,nullptr);for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];while(cur){ Node* next = cur->_next;// 头插新表的位置 size_t hashi =hs(kot(cur->_data))% NewTable.size(); cur->_next = NewTable[hashi]; NewTable[hashi]= cur; cur = cur->_next;} _tables[i]=nullptr;} _tables.swap(NewTable);} size_t hashi =hs(kot(data))% _tables.size();//进行头插操作 Node* newnode =newNode(data); _tables[hashi]->_next = newnode; _tables[hashi]= newnode;++_n;returntrue;} Node*Find(const K& key){ Hash hs; KeyOfT kot; size_t hashi =hs(key)% _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi];while(cur){if(kot(cur->_data)== key){return&kot(cur->_data);}else{ cur = cur->_next;}}returnnullptr;}boolErase(const K& key){ Hash hs; size_t hashi =hs(key)% _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi]; Node* prev =nullptr;while(cur){if(kot(cur->_data)== key){if(prev ==nullptr){ _tables[hashi]= cur->_next;}else{ prev->_next = cur->_next;}delete cur;returntrue;}else{ prev = cur; cur = cur->_next;}}returnfalse;}private: vector<Node*> _tables; size_t _n =0;};}
这里关于HashFunc()需要放在哈希命名空间外部，因为在其他头文件需要使用到该HashFunc()

3.2 unoderded_set.h

namespace unoderded_set {template<classK,classHash= HashFunc<K>>classunoderded_set{structSetKeyOfT{const K&operator()(const K& key){return key;}};private: hash_bucket::HashTable<K,const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;};}

3.3 unoderded_map.h

namespace unoderded_map {template<classK,classV,classHash= HashFunc<K>>classunoderded_map{structSetKeyOfT{const K&operator()(const pair<K,V>& key){return key.first;}};public:private: hash_bucket::HashTable<K,const pair<K,V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;};}

四、实现迭代器

实现哈希表中迭代器跟之前其他容器实现迭代器需要考虑的差不多，主要是对于operator++和operator–需要考虑不同容器的结构进行行为重定义。同时需要设计为模板template<class T,class Ptr, class Ref>去匹配const类型和非const类型调用同一个迭代器。
typedef __HTIterator<T*, T&> iterator;typedef __HTIterator<const T*,const T&> const_iterator;
这里得到当前_node的位置，是浅拷贝。这不希望改变实参，而是希望通过该实参位置进行操作，得到预期数据，在下一次进行操作时还是之前位置。

4.1 迭代器常见功能

template<classT,classPtr,classRef>struct_HTIterator{//得到一个节点typedef HashNode<T> Node;typedef _HTIterator Self; Node* _node;//这里希望是浅拷贝_HTIterator(const Node* node):_node(node){} Ptr operator->(){return&_node->_data;} Ref operator*(){return _node->_data;}booloperator!=(const Self& s){return _node != s._node;}};

4.2 operator++实现

【大体思路】:在第一个不为空位置，向下遍历++直到_node-> _next ==nullptr说明该位置迭代器达到悬挂着哈希桶最后一个不为空的桶，那么需要通过当前节点数值，进行除留余数法得到当前表位置下标，以该下标为基准重新在表中找到下一个不为空的位置，直到i == tables.size()说明遍历完成。

4.3 编译器扫描顺序问题

目前关于迭代器实现某方面功能需要借助HashTable类的类型及其成员，但是问题在于HashTable需要将迭代器设为"武器"，将迭代器类功能具体实现放在HashTabl类上方，编译器扫描是上到下扫描，这就导致了这两个类总有一方无法得到另外一份的东西。

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4.3.1 【第一个办法】:声明及其友元

我们可以在迭代器类中声明HashTable类作为类型定义一个哈希表指针，同时在HashTable类型设置迭代器友元，使之迭代器可以通过定义的哈希表指针访问到哈希表。

template<classK,classT,classPtr,classRef,classKeyOfT,classHash>struct_HTIterator{//前置声明template<classK,classT,classKeyOfT,classHash>classHashTable;}template<classK,classT,classKeyOfT,classHash>classHashTable{public:template<classK,classT,classPtr,classRef,classKeyOfT,classHash>friendstruct_HTIterator;}

【前置声明】

前置声明仅仅告诉编译器有一个 HashTable 类，但由于没有给出该类的完整定义和实现，编译器并不知道如何去使用它。也就是说，你不能在代码中使用 HashTable 类的功能，比如创建对象、调用其成员函数、访问数据成员等，除非你提供了类的完整定义。

4.3.2 【第二办法】:内部类

template<classK,classT,classKeyOfT,classHash>classHashTable{typedef HashNode<T> Node;public:// 友元声明/*template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash> friend struct __HTIterator;*/// 内部类template<classPtr,classRef>struct__HTIterator{typedef HashNode<T> Node;typedef __HTIterator Self;}}
这里就采用第一种方法(选择哪个方法都是差不多的)

4.4 operator++内部逻辑

Self&operator++(){ KeyOfT kot; Hash hs;if( _node->_next ){ _node = _node->_next;}else{//访问该成员 size_t i =hs(kot(_node->_data))% _pht->_tables.size(); i++;for(; i < _pht->_tables.size(); i++){if(_pht->_tables[i]){break;}}if(i == _pht->tables.size()){ _node =nullptr;}else{ _node = _pht->_tables[i];}}}
由于在库中unoderded_map和unoderded_set只有单向迭代器，就没有operator–。如果有兴趣可以将单链表设计为双向链表，然后根据operator++逻辑，设计出一个operator–接口

4.5 获得begin和end迭代器位置

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iterator begin(){for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];if(cur){returniterator(cur,this);}}} iterator end(){returniterator(nullptr,this);} const_iterator begin()const{for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];if(cur){returniterator(cur,this);}}} const_iterator end()const{returniterator(nullptr,this);}
这里就是通过哈希表begin和end接口，构造相关需求的迭代器。这里很好体现了每个不同对象的迭代器指向表是自己对象的哈希表。

4.6 迭代器调用流程图

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unoderded_map及其unoderded_set迭代器配置，由于unoderded_map支持修改元素，那么没有必要写const系列。
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五、unoderded_map/set相关接口实现

5.1 unoderded_map相关接口

namespace unoderded_map {template<classK,classV,classHash= HashFunc<K>>classunoderded_map{structMapKeyOfT{const K&operator()(const pair<K, V>& key){return key.first;}};typedeftypenamehash_bucket::HashTable<K,const pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash>::iterator iterator; iterator begin(){return _ht.begin();} iterator end(){return _ht.end();} V&operator[](const K& key){ pair<iterator,bool> ret =insert(make_pair(key,V()));return ret.first->second;} pair<iterator,bool>insert(const pair<K, V>& kv){return _ht.Insert(kv);}private: hash_bucket::HashTable<K,const pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;};}

【unoderded_map增添接口】:V& operator[](const K& key)和pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)

5.2 unoderded_set相关接口

#pragmaonce#include"HashTable.h"namespace unoderded_set {template<classK,classHash= HashFunc<K>>classunoderded_set{structSetKeyOfT{const K&operator()(const K& key){return key;}};typedeftypenamehash_bucket::HashTable<K,const K, SetKeyOfT,Hash>::iterator iterator;typedeftypenamehash_bucket::HashTable<K,const K, SetKeyOfT, Hash>::const_iterator 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();} pair<iterator,bool>insert(const K& key){return _ht.Insert(key);} iterator find(const K& key){return _ht.Find(key);}boolerase(const K& key){return _ht.Erase(key);}private: hash_bucket::HashTable<K,const K, SetKeyOfT, Hash> _ht;};}

【unoderded_set增添接口】 pair<iterator, bool> insert(const K& key)和 iterator find(const K& key)及其bool erase(const K& key)

5.3 HashTable相关接口调整

iterator Find(const K& key){ Hash hs; KeyOfT kot; size_t hashi =hs(key)% _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi];while(cur){if(kot(cur->_data)== key){returniterator(cur,this);}else{ cur = cur->_next;}}returnend();} pair<iterator,bool>Insert(const T& data){ Hash hs; KeyOfT kot; iterator it =Find(kot(data));if(it !=end())returnmake_pair(it,false);if(_n == _tables.size()){ vector<Node*>NewTable(_n *10,nullptr);for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];while(cur){ Node* next = cur->_next;// 头插新表的位置 size_t hashi =hs(kot(cur->_data))% NewTable.size(); cur->_next = NewTable[hashi]; NewTable[hashi]= cur; cur = cur->_next;} _tables[i]=nullptr;} _tables.swap(NewTable);} size_t hashi =hs(kot(data))% _tables.size();//进行头插操作 Node* newnode =newNode(data); _tables[hashi]->_next = newnode; _tables[hashi]= newnode;++_n;returnmake_pair(iterator(newnode,this),true);}
unodered_map当中operator[]可以看作insert和find融合版本，不需要单独设计Find()，但是内部还是有调用Find()逻辑

HashTable.h

#pragmaonce#include<iostream>usingnamespace std;#include<string>#include<vector>template<classK>structHashFunc{ size_t operator()(const K& key){return(size_t)key;}};template<>structHashFunc<string>{ size_t operator()(const string& key){ size_t hash =0;for(auto ch : key){ hash *=131; hash += ch;}return hash;}};namespace hash_bucket {template<classT>structHashNode{ T _data; HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data),_next(nullptr){}};template<classK,classT,classPtr,classRef,classKeyOfT,classHash>struct_HTIterator{//前置声明template<classK,classT,classKeyOfT,classHash>classHashTable;//得到一个节点typedef HashNode<T> Node;typedef _HTIterator Self; Node* _node;const HashTable* _pht;//这里希望是浅拷贝//这里对象-->指向一个哈希表-->cur及其this。_HTIterator(const Node* node,const HashTable* pht):_node(node),_pht(pht){} Ptr operator->(){return&_node->_data;} Ref operator*(){return _node->_data;}booloperator!=(const Self& s){return _node != s._node;} Self&operator++(){ KeyOfT kot; Hash hs;if( _node->_next ){ _node = _node->_next;}else{//访问该成员 size_t i =hs(kot(_node->_data))% _pht->_tables.size(); i++;for(; i < _pht->_tables.size(); i++){if(_pht->_tables[i]){break;}}if(i == _pht->tables.size()){ _node =nullptr;}else{ _node = _pht->_tables[i];}}}};template<classK,classT,classKeyOfT,classHash>classHashTable{public:template<classK,classT,classPtr,classRef,classKeyOfT,classHash>friendstruct_HTIterator;typedef _HTIterator< K, T, T*, T&, KeyOfT, Hash> iterator;typedef _HTIterator<K, T,const T*,const T&, KeyOfT, Hash> const_iterator;typedef HashNode<T> Node;HashTable(){ _tables.resize(10,nullptr);}~HashTable(){for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];while(cur){ Node* next = cur->_next;delete cur; cur = next;}}} iterator Find(const K& key){ Hash hs; KeyOfT kot; size_t hashi =hs(key)% _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi];while(cur){if(kot(cur->_data)== key){returniterator(cur,this);}else{ cur = cur->_next;}}returnend();} pair<iterator,bool>Insert(const T& data){ Hash hs; KeyOfT kot; iterator it =Find(kot(data));if(it !=end())returnmake_pair(it,false);if(_n == _tables.size()){ vector<Node*>NewTable(_n *10,nullptr);for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];while(cur){ Node* next = cur->_next;// 头插新表的位置 size_t hashi =hs(kot(cur->_data))% NewTable.size(); cur->_next = NewTable[hashi]; NewTable[hashi]= cur; cur = cur->_next;} _tables[i]=nullptr;} _tables.swap(NewTable);} size_t hashi =hs(kot(data))% _tables.size();//进行头插操作 Node* newnode =newNode(data); _tables[hashi]->_next = newnode; _tables[hashi]= newnode;++_n;returnmake_pair(iterator(newnode,this),true);} iterator begin(){for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];if(cur){returniterator(cur,this);}}} iterator end(){returniterator(nullptr,this);} const_iterator begin()const{for(size_t i =0; i < _tables.size(); i++){ Node* cur = _tables[i];if(cur){returniterator(cur,this);}}} const_iterator end()const{returniterator(nullptr,this);}boolErase(const K& key){ Hash hs; size_t hashi =hs(key)% _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi]; Node* prev =nullptr;while(cur){if(kot(cur->_data)== key){if(prev ==nullptr){ _tables[hashi]= cur->_next;}else{ prev->_next = cur->_next;}delete cur;returntrue;}else{ prev = cur; cur = cur->_next;}}returnfalse;}private: vector<Node*> _tables; size_t _n =0;};};
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以上就是本篇文章的所有内容，在此感谢大家的观看！这里是店小二呀C++笔记，希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助！

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