21.使用哈希桶封装unordered_set和unordered_map(哈希桶的迭代器的实现)

1. hash表迭代器的实现

1.1 普通迭代器

// 由于迭代器的实现，需要使用哈希桶，但是哈希桶的实现，又在迭代器之后
// 因此，我们给出一个前置声明，旨在告诉系统，哈希桶已经被实现了
// 前置声明
template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>
class HashTable;// 迭代器的类模板
template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>
struct __HTIterator
{// 将节点的类模板类型重新定义为 Nodetypedef HashNode<T> Node;// 将迭代器的类模板类型重新定义为Selftypedef __HTIterator<K, T, Hash, KeyOfT> Self;// 将哈希桶的类模板类型重新定义为HTtypedef HashTable<K, T, Hash, KeyOfT> HT;// 创建一个节点// 创建一个哈希桶Node* _node;HT* _ht;// 使用构造函数来构造迭代器，初始化节点和哈希桶（必须传参的构造函数）__HTIterator(Node* node, HT* ht):_node(node), _ht(ht){}// 解引用T& operator*(){// 解引用拿到data，并引用返回return _node->_data;}// -> 重载T* operator->(){// ->重载也就是返回data的地址return &_node->_data;}bool operator != (const Self& s) const{// _node是节点的地址// 此处，判断不等，直接判断两个迭代器节点的地址是否不等就可以了return _node != s._node;}// ++的大逻辑就是，通过vector找到每一个桶的头节点，再通过桶的头节点来遍历每一个桶的所有节点Self& operator++(){if (_node->_next){// 如果说_node->_next不为空，说明当前这个桶的节点还没有全部遍历完，// 因此我们接着向后遍历就可以了_node = _node->_next;}else{// 代码运行到这里，说明当前桶走完了，要找下一个桶的第一个节点// 找下一个桶的头节点的位置，就需要知道hashi，想要直到hashi// 就需要使用仿函数KeyofT来拿到键值对中的key值KeyOfT kot;// hash函数对象，可以将key转化为整型Hash hash;// hashi = key % 哈希桶的个数  （必须先用hash函数将key转化为整型）// 这里的_ht->_tables.size()，使用了哈希桶的私有成员函数，因此在哈希桶的类模板中，迭代器的类模板是其友元类size_t hashi = hash(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();// 拿到当前桶的头节点对应的hashi，++之后就是下一个桶头节点存储的下标（hashi）++hashi;// ++之后的hashi，我们要确保其没有越界// 也就是保证hashi < _ht->_tables.size()while (hashi < _ht->_tables.size()){// 如果hashi没有越界// 那么我们要判断，当前hashi所在的下标位置是否为空// 如果不为空，_ht->_tables[hashi]存放的就是对应桶的头节点，这就是++后指向的节点，我们将其给到_node// 如果_ht->_tables[hashi]为空，说明vector当前位置不存在桶，那么我们接着++hashi// 直到这个下标位置有桶，也就是_ht->_tables[hashi]不为空，则停止++hashiif (_ht->_tables[hashi]){_node = _ht->_tables[hashi];break;}else{++hashi;}}// 说明后面没有桶了，那么++后指向的就是空节点if (hashi == _ht->_tables.size())_node = nullptr;}return *this;}
};

1.2 const_iterator

// 对于哈希桶，const迭代器不可以和普通迭代器共用一个类来实现
// 迭代器
// 前置声明
template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>
class HashTable;// 为什么const迭代器没有复用?
template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class Hash, class KeyOfT>
struct __HTIterator
{typedef HashNode<T> Node;// 将typedef __HTIterator<K, T, Ref, Ptr, Hash, KeyOfT> Self;typedef HashTable<K, T, Hash, KeyOfT> HT;const Node* _node;const HT* _ht;// 此时迭代器的构造函数必须被const修饰// 才可以构造const迭代器的begin()// 但是初始化_node时，_node也必须被const修饰，否则node赋值给_node之后，权限会被放大// 因此_node也必须被const修饰__HTIterator(const Node* node, const HT* ht):_node(node), _ht(ht){}// 但是如果_node和_ht都被const修饰// 且构造函数的参数都被const修饰，// 那么普通迭代器调用时最终返回的 Ref是T&，Ptr是T*// 但是我们返回的_node->_data和&_node->_data却都被const修饰// 因此，我们必须把普通迭代器和const迭代器分开写，不可以进行复用Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator != (const Self& s) const{return _node != s._node;}Self& operator++(){if (_node->_next){_node = _node->_next;}else{// 当前桶走完了，要找下一个桶的第一个KeyOfT kot;Hash hash;size_t hashi = hash(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();++hashi;while (hashi < _ht->_tables.size()){if (_ht->_tables[hashi]){_node = _ht->_tables[hashi];break;}else{++hashi;}}// 后面没有桶了if (hashi == _ht->_tables.size())_node = nullptr;}return *this;}
};

2.哈希桶的改造

​ 因为我们要实现的unordered_set和unordered_map的底层都是同一个hash桶的头文件，因此我们需要对hash桶做出一些改造。

哈希桶的类模板的改造

namespace buckethash
{/*因为哈希桶是作为unordered_set和unordered_map的底层，因此数据类型，我们设置为模板T，这样就可以适用于unordered_set和unordered_map传递的不同的参数*/// 哈希桶存放的节点的类模板template<class T>struct HashNode{// pair<K, V> _kv;// T可以实例化为键值对，也可以是其他类型的数据T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data), _next(nullptr){}};// 哈希桶的类模板template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>class HashTable{// 将存储的节点的类模板类型重新定义为Nodetypedef HashNode<T> Node;// 在迭代器中 _ht->_tables.size() 这个调用了哈希桶的私有成员_tables// 由于迭代器使用了哈希桶的私有成员// 为了使迭代器拥有使用私有成员的权限// 我们将迭代器的类模板设置为哈希桶的友元// 这样迭代器就可以调用哈希桶的私有成员template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>friend struct __HTIterator;public:// 将迭代器的类模板类型重新定义为iteratortypedef __HTIterator<K, T, Hash, KeyOfT> iterator;// 起始位置的迭代器iterator begin(){// 找到第一个节点，并将其构造为迭代器for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i){// 当_tables[i]不为空时，说明我们找到了第一个桶的头节点，// 而_tables[i]就是第一个桶的头节点的地址if (_tables[i]){// 迭代器的构造，需要传递两个参数// 第一个参数是节点的地址，第二个参数是哈希桶的地址（指针）// 我们创建一个迭代器的匿名对象，这个传递的效率更高return iterator(_tables[i], this);}}// 如果说这个哈希表是没有数据的，那么_tables[i]始终为空// 则我们直接返回使用空指针和哈希桶指针构造的迭代器return iterator(nullptr, this);}// 结束位置的迭代器iterator end(){// 结束的迭代器，是使用空指针和哈希桶的指针来构造的// 为什么是空指针呢，因为结束的迭代器指向的不是节点，而是空指针return iterator(nullptr, this);}// 哈希桶的无参构造函数HashTable():_n(0){//_tables.resize(10);_tables.resize(__stl_next_prime(0));}// 哈希桶的析构函数~HashTable(){for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i){// 释放桶Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;delete cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}}// 插入数据data，并返回一个键值对函数对象，first存放的是指向data的迭代器，second代表插入成功pair<iterator, bool> Insert(const T& data){// 用KeyofT来获取key元素KeyOfT kot;// 查到key元素，如果找到则返回key对应节点的对应的迭代器// 当查到到，那么我们就不需要插入key// 如果it != end()为真，说明key已经存在，我们直接返回make_pair(it, false)// pair由迭代器和bool构造，it就是指向key的迭代器// false说明key已经存在,我们不可以再进行插入了，代表了插入失败iterator it = Find(kot(data));if (it != end())return make_pair(it, false);// 此时说明key不存在，那么就将key进行插入// 负载因子控制在1，超过就扩容if (_tables.size() == _n){vector<Node*> newTables;newTables.resize(__stl_next_prime(_tables.size()), nullptr);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i){Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;size_t hashi = Hash()(kot(cur->_data)) % newTables.size();// 头插到新表cur->_next = newTables[hashi];newTables[hashi] = cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}_tables.swap(newTables);}size_t hashi = Hash()(kot(data)) % _tables.size();// 头插Node* newnode = new Node(data);newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;++_n;return  make_pair(iterator(newnode, this), true);}// 查找到key对应的节点，返回这个节点的迭代器iterator Find(const K& key){KeyOfT kot;// 找到key对应的hashisize_t hashi = Hash()(key) % _tables.size();// 拿到hashi这个下标对应的桶的头节点Node* cur = _tables[hashi];// 依次遍历整个桶的节点，直到cur为空while (cur){// 用KeyofT来获取T中的keyif (kot(cur->_data) == key){// 如果两个key相等，则返回对应节点的迭代器return iterator(cur, this);}else{// 当两个节点的key元素不相等，则我们接着遍历cur节点的下一个节点cur = cur->_next;}}// 如果代码运行到这里，说明没有对应的节点，则我们直接返回尾迭代器// 尾迭代器由空指针（也就是没有对应的节点，我们已经遍历到了空指针了），和迭代器的指针构造return end();}// 删除key对应的节点bool Erase(const K& key){size_t hashi = Hash()(key) % _tables.size();Node* prev = nullptr;Node* cur = _tables[hashi];while (cur){if (cur->_kv.first == key){// 准备删除if (cur == _tables[hashi]){_tables[hashi] = cur->_next;}else{prev->_next = cur->_next;}delete cur;--_n;return true;}else{prev = cur;cur = cur->_next;}}return false;}// 素数表inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n){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};for (int i = 0; i < __stl_num_primes; ++i){if (__stl_prime_list[i] > n){return __stl_prime_list[i];}}return __stl_prime_list[__stl_num_primes - 1];}private:vector<Node*> _tables;  // 指针数组（存放哈希桶的头节点）size_t _n = 0;};}

哈希桶的完整实现

namespace buckethash
{// 哈希桶节点的类模板template<class T>struct HashNode{T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data), _next(nullptr){}};// 前置声明（说明哈希桶已经实现了）template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>class HashTable;// 哈希桶迭代器的类模板template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>struct __HTIterator{typedef HashNode<T> Node;typedef __HTIterator<K, T, Hash, KeyOfT> Self;typedef HashTable<K, T, Hash, KeyOfT> HT;Node* _node;HT* _ht;__HTIterator(Node* node, HT* ht):_node(node), _ht(ht){}T& operator*(){return _node->_data;}T* operator->(){return &_node->_data;}bool operator != (const Self& s) const{return _node != s._node;}Self& operator++(){if (_node->_next){_node = _node->_next;}else{// 当前桶走完了，要找下一个桶的第一个KeyOfT kot;Hash hash;size_t hashi = hash(kot(_node->_data)) % _ht->_tables.size();++hashi;while (hashi < _ht->_tables.size()){if (_ht->_tables[hashi]){_node = _ht->_tables[hashi];break;}else{++hashi;}}// 后面没有桶了if (hashi == _ht->_tables.size())_node = nullptr;}return *this;}};// 哈希桶的类模板template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>class HashTable{// 将哈希桶的节点的类模板类型定义为Nodetypedef HashNode<T> Node;template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>friend struct __HTIterator;public:typedef __HTIterator<K, T, Hash, KeyOfT> iterator;iterator begin(){for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i){if (_tables[i]){return iterator(_tables[i], this);}}return iterator(nullptr, this);}iterator end(){return iterator(nullptr, this);}HashTable():_n(0){_tables.resize(__stl_next_prime(0));}~HashTable(){for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i){// 释放桶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 make_pair(it, false);// 负载因子控制在1，超过就扩容if (_tables.size() == _n){vector<Node*> newTables;newTables.resize(__stl_next_prime(_tables.size()), nullptr);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i){Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;size_t hashi = Hash()(kot(cur->_data)) % newTables.size();// 头插到新表cur->_next = newTables[hashi];newTables[hashi] = cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}_tables.swap(newTables);}size_t hashi = Hash()(kot(data)) % _tables.size();// 头插Node* newnode = new Node(data);newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;++_n;return  make_pair(iterator(newnode, this), true);}iterator Find(const K& key){KeyOfT kot;size_t hashi = Hash()(key) % _tables.size();Node* cur = _tables[hashi];while (cur){if (kot(cur->_data) == key){return iterator(cur, this);}else{cur = cur->_next;}}return end();}bool Erase(const K& key){size_t hashi = Hash()(key) % _tables.size();Node* prev = nullptr;Node* cur = _tables[hashi];while (cur){if (cur->_kv.first == key){// 准备删除if (cur == _tables[hashi]){_tables[hashi] = cur->_next;}else{prev->_next = cur->_next;}delete cur;--_n;return true;}else{prev = cur;cur = cur->_next;}}return false;}inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n){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};for (int i = 0; i < __stl_num_primes; ++i){if (__stl_prime_list[i] > n){return __stl_prime_list[i];}}return __stl_prime_list[__stl_num_primes - 1];}private:vector<Node*> _tables;  // 指针数组size_t _n = 0;};
}

3.unordered_set的模拟实现

#include "HashTable.h"namespace qwy
{template<class K, class Hash = HashFunc<K>>class unordered_set{//  传递给unordered_set的第一个参数类型就为K，因此仿函数直接返回K类型的值就可以struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};public:// typename的作用// 告诉编译器buckethash::HashTable<K, K, Hash, SetKeyOfT>::iterator是一个类型名// 而不是一个变量名typedef typename buckethash::HashTable<K, K, Hash, SetKeyOfT>::iterator iterator;iterator begin(){// 底层调用哈希桶的begin()return _ht.begin();}iterator end(){// 底层调用哈希桶的end()return _ht.end();}pair<iterator, bool> insert(const K& key){// 底层调用哈希桶的insert()return _ht.Insert(key);}private:// hash桶对象// template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>// template<class K, class Hash = HashFunc<K>>// 第一个参数和第二个参数，都是用K进行实例化，传入缺省的HashFunc<K>函数，传入仿函数SetKeyOfT，取key值buckethash::HashTable<K, K, Hash, SetKeyOfT> _ht;};void test_unordered_set(){unordered_set<int> us;us.insert(13);us.insert(3);us.insert(23);us.insert(5);us.insert(5);us.insert(6);us.insert(15);us.insert(223342);us.insert(22);unordered_set<int>::iterator it = us.begin();while (it != us.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : us){cout << e << " ";}cout << endl;}
}

4.unordered_map的模拟实现

#include "HashTable.h"namespace qwy
{template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>class unordered_map{// 传递给unordered_map的第二个参数的类型为V，也就是作为pair<const K, V>，的第二个参数// 因此我们取pair::first也就是取pair<const K, V>中的K类型的数据struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<const K, V>& kv){return kv.first;}};public:// typename的作用// 告诉编译器buckethash::HashTable<K, K, Hash, SetKeyOfT>::iterator是一个类型名// 而不是一个变量名typedef typename buckethash::HashTable<K, pair<const K, V>, Hash, MapKeyOfT>::iterator iterator;iterator begin(){return _ht.begin();}iterator end(){return _ht.end();}pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& data){return _ht.Insert(data);}V& operator[](const K& key){// insert的返回类型为pair<iterator, bool>// make_pair(key, V()) 其中V是根据传递的参数类型进行默认构造的// 使用insert(),如果key已经存在，则不会进行插入pair<iterator, bool> ret = _ht.Insert(make_pair(key, V()));// ret.first就是迭代器// 迭代器重载->,拿到的是_node->data的地址,也就是键值对的对象的地址// 所以 ret.first->second 的类型就是V，或者称为value// 所以 operator[]的返回值其实就是value的引用return ret.first->second;}private:// 私有成员为哈希桶// template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>// template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT>buckethash::HashTable<K, pair<const K, V>, Hash, MapKeyOfT> _ht;};void test_unordered_map(){string arr[] = { "苹果", "西瓜", "香蕉", "草莓", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };unordered_map<string, int> countMap;for (auto& e : arr){countMap[e]++;}for (const auto& kv : countMap){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}}
}

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