【C++练级之路】【Lv.17】【STL】set类和map类的模拟实现



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文章目录

  • 引言
  • 一、红黑树（改造版）
    • 1.1 结点
    • 1.2 迭代器
      • 1.2.1 operator++
      • 1.2.2 operator- -
    • 1.3 本体
      • 1.3.1 begin和end
      • 1.3.2 Find
      • 1.3.3 Insert
  • 二、set
    • 2.1 成员变量与仿函数
    • 2.2 begin和end
    • 2.3 find
    • 2.4 insert
  • 三、map
    • 3.1 成员变量与仿函数
    • 3.2 begin和end
    • 3.3 find
    • 3.4 insert
    • 3.5 operator[ ]

引言

STL库中的set类和map类，其底层原理都是通过红黑树来实现的。尽管set和map可以各自实现一棵红黑树，但是为了提高代码的复用率，STL库中将红黑树进行了一定的改造，实现以相同的底层实现不同的容器。

一、红黑树（改造版）

1.1 结点

enum Color
{RED,BLACK
};template<class T>
struct RBTreeNode
{RBTreeNode<T>* _left;RBTreeNode<T>* _right;RBTreeNode<T>* _parent;T _data;Color _col;RBTreeNode(const T& data): _left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _data(data), _col(RED){}
};

细节：

  • 将数据类型改为T，因为要同时适用set（存储键值）和map（存储键值对）

1.2 迭代器

改造后的红黑树，最重要的功能之一就是支持双向迭代器，以最左结点为首，以最右结点为尾。

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct RBTreeIterator
{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;RBTreeIterator(Node* node): _node(node){}RBTreeIterator(const Iterator& it): _node(it._node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &(operator*());}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const Self& s){return _node == s._node;}
};

细节：

  1. 一些基本的迭代器范式操作已经给出，重点的++与- -操作后面详细实现
  2. 迭代器的拷贝构造函数有两个用途：
    • 以普通迭代器拷贝出普通迭代器（普通迭代器调用时）
    • 以普通迭代器拷贝出const迭代器（const迭代器调用时）

1.2.1 operator++

Self& operator++()
{if (_node->_right)//右不为空，找右子树的最左结点{Node* subLeft = _node->_right;while (subLeft->_left){subLeft = subLeft->_left;}_node = subLeft;}else//右为空，向上找孩子是父亲左的那个父亲{Node* parent = _node->_parent;Node* cur = _node;while (parent && parent->_right == cur){cur = parent;parent = cur->_parent;}_node = parent;}return *this;
}Self operator++(int)
{Self tmp = *this;++*this;return tmp;
}

细节：

  1. 前置++的思路：
    • 右不为空，找右子树的最左结点
    • 右为空，向上找孩子是父亲左的那个父亲
  2. 后置++：复用前置++，返回临时对象

1.2.2 operator- -

Self& operator--()
{if (_node->_left)//左不为空，找左子树的最右结点{Node* subRight = _node->_left;while (subRight->_right){subRight = subRight->_right;}_node = subRight;}else//左为空，向上找孩子是父亲右的那个父亲{Node* parent = _node->_parent;Node* cur = _node;while (parent && parent->_left == cur){cur = parent;parent = cur->_parent;}_node = parent;}return *this;
}Self operator--(int)
{Self tmp = *this;--*this;return tmp;
}

细节：

  1. 前置- -的思路：
    • 左不为空，找左子树的最右结点
    • 左为空，向上找孩子是父亲右的那个父亲
  2. 后置- -：复用前置- -，返回临时对象

1.3 本体

template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
protected:typedef RBTreeNode<T> Node;
public:
protected:Node* _root = nullptr;
};

细节：

  1. 模板参数第一个为K，键值类型（比较时会用到）
  2. 模板参数第二个为T，同时适用set（存储键值）和map（存储键值对）
  3. 模板参数第三个为KeyOfT（仿函数类型），用于获取不同数据T的键值key来进行比较

1.3.1 begin和end

typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;iterator begin()
{Node* cur = _root;while (cur->_left){cur = cur->_left;}return iterator(cur);
}const_iterator begin() const
{Node* cur = _root;while (cur->_left){cur = cur->_left;}return const_iterator(cur);
}iterator end()
{return iterator(nullptr);
}const_iterator end() const
{return const_iterator(nullptr);
}

细节：begin返回最左节点的迭代器，end返回空迭代器

1.3.2 Find

iterator Find(const K& key)
{if (_root == nullptr){return iterator(nullptr);}KeyOfT kot;Node* cur = _root;while (cur){if (kot(cur->_data) < key){cur = cur->_right;}else if (kot(cur->_data) > key){cur = cur->_left;}else{return iterator(cur);}}return iterator(nullptr);
}

细节：

  1. 返回迭代器
  2. 运用仿函数进行键值比较

1.3.3 Insert

pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
{if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;return make_pair(iterator(_root), true);}KeyOfT kot;Node* parent = nullptr;Node* cur = _root;while (cur){if (kot(cur->_data) < kot(data)){parent = cur;cur = cur->_right;}else if (kot(cur->_data) > kot(data)){parent = cur;cur = cur->_left;}else{return make_pair(iterator(cur), false);}}Node* newnode = new Node(data);cur = newnode;if (kot(parent->_data) < kot(data)){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;while (parent && parent->_col == RED){Node* grandparent = parent->_parent;if (grandparent->_right == parent)//uncle在左，parent在右{Node* uncle = grandparent->_left;if (uncle && uncle->_col == RED)//uncle为红，变色+向上调整{parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;cur = grandparent;parent = cur->_parent;}else//uncle为空或为黑，变色+旋转{if (parent->_right == cur)//左单旋{RotateL(grandparent);parent->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}else//右左旋{RotateR(parent);RotateL(grandparent);cur->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}}}else//parent在左，uncle在右{Node* uncle = grandparent->_right;if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;cur = grandparent;parent = cur->_parent;}else{if (parent->_left == cur)//右单旋{RotateR(grandparent);parent->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}else//左右旋{RotateL(parent);RotateR(grandparent);cur->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}}}}_root->_col = BLACK;return make_pair(iterator(newnode), true);
}

细节：

  1. 返回pair，第一个参数为迭代器，第二个参数为布尔值（记录是否插入成功）
  2. 运用仿函数进行键值比较

二、set

2.1 成员变量与仿函数

template<class K>
class set
{struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};
public:
protected:RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
};

细节：

  1. set类仿函数，直接返回参数key
  2. 成员变量的第二个模板参数为K，第三个模板参数为SetKeyOfT

2.2 begin和end

typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;iterator begin()
{return _t.begin();
}const_iterator begin() const
{return _t.begin();
}iterator end()
{return _t.end();
}const_iterator end() const
{return _t.end();
}

细节：

  1. 加上typename关键字，编译器才能识别类型
  2. set中存储的键值key均不允许修改，所以其普通迭代器和const迭代器均为红黑树的const迭代器
  3. 由于set的普通迭代器也是红黑树的const迭代器，调用普通begin()时，便有从普通迭代器到const迭代器的转换，此时之前写的拷贝构造（以普通迭代器拷贝构造const迭代器）便派上用场了。

2.3 find

iterator find(const K& key)
{return _t.Find(key);
}

2.4 insert

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

细节：

  1. 插入参数类型为K（键值）
  2. 此时也有从普通迭代器到const迭代器的转换

三、map

3.1 成员变量与仿函数

template<class K, class V>
class map
{struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<const K, V>& kv){return kv.first;}};
public:
protected:RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
};

细节：

  1. map类仿函数，返回参数pair的first
  2. 成员变量的第二个模板参数为pair，第三个模板参数为MapKeyOfT

3.2 begin和end

typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::const_iterator const_iterator;iterator begin()
{return _t.begin();
}const_iterator begin() const
{return _t.begin();
}iterator end()
{return _t.end();
}const_iterator end() const
{return _t.end();
}

细节：

  1. 加上typename关键字，编译器才能识别类型
  2. map同样不允许修改key，故加上const修饰，但是允许修改存储的value，所以普通和const迭代器一一对应

此时，可能有人会问，那刚刚set不允许修改key，为什么不也直接用const修饰呢？请看以下这段代码：

typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

如果变成第二个模板参数T传入const K，那么就会形成两个连续的const，这是不被允许的。所以才想了其他方法来补救。

3.3 find

iterator find(const K& key)
{return _t.Find(key);
}

3.4 insert

pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
{return _t.Insert(kv);
}

细节：插入参数类型为pair（键值对）

3.5 operator[ ]

map最好用的重载运算符[ ]，我们肯定也要实现，平常插入和修改使用[ ]更加方便。

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

细节：

  1. 插入成功便是插入，插入失败便是查找+修改
  2. 返回value的引用，可以直接插入或修改

真诚点赞，手有余香

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