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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<class T>struct HashNode{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。

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

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include <vector>template<class K>struct HashFunc{size_t operator()(const K& key){return (size_t)key;}};template<>
struct HashFunc<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<class T>struct HashNode{T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data),_next(nullptr){}};template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable{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;}}}bool Insert(const T& data){Hash hs;KeyOfT kot;if (Find(kot(data)){return 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 = new Node(data);_tables[hashi]->_next = newnode;_tables[hashi] = newnode;++_n;return true;}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;}}return nullptr;}bool Erase(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;return true;}else{prev = cur;cur = cur->_next;}}return false;}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<class K,class Hash = HashFunc<K>>class unoderded_set{struct SetKeyOfT{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<class K,class V,class Hash = HashFunc<K>>class unoderded_map{struct SetKeyOfT{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<class T,class Ptr, class Ref>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;}bool operator!=(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。

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<class K,class T,class Ptr, class Ref,class KeyOfT, class Hash>struct _HTIterator{	//前置声明template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable;	}template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable{public:template<class K, class T, class Ptr, class Ref, class KeyOfT, class Hash>friend struct _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<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable{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<class Ptr, class Ref>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

iterator begin()
{for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];if (cur){return iterator(cur, this);}}}iterator end()
{return iterator(nullptr, this);
}const_iterator begin() const
{for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];if (cur){return iterator(cur, this);}}
}const_iterator end() const
{return iterator(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

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。

五、unoderded_map/set相关接口实现

5.1 unoderded_map相关接口

namespace unoderded_map
{template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>class unoderded_map{struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<K, V>& key){return key.first;}};typedef typename hash_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

#pragma once
#include "HashTable.h"namespace unoderded_set
{template<class K, class Hash = HashFunc<K>>class unoderded_set{struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};typedef typename hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT,Hash>::iterator iterator;typedef typename hash_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);}bool erase(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){return iterator(cur, this);}else{cur = cur->_next;}}return end();
}pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
{Hash hs;KeyOfT kot;iterator it = Find(kot(data));if (it != end())return make_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 = new Node(data);_tables[hashi]->_next = newnode;_tables[hashi] = newnode;++_n;return make_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

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include <vector>template<class K>struct HashFunc{size_t operator()(const K& key){return (size_t)key;}};template<>
struct HashFunc<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<class T>struct HashNode{T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data), _next(nullptr){}};template<class K,class T,class Ptr, class Ref,class KeyOfT, class Hash>struct _HTIterator{//前置声明template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable;//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;}bool operator!=(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<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable{public:template<class K, class T, class Ptr, class Ref, class KeyOfT, class Hash>friend struct _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){return iterator(cur, this);}else{cur = cur->_next;}}return end();}pair<iterator, bool> Insert(const T& data){Hash hs;KeyOfT kot;iterator it = Find(kot(data));if (it != end())return make_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 = new Node(data);_tables[hashi]->_next = newnode;_tables[hashi] = newnode;++_n;return make_pair(iterator(newnode, this), true);}iterator begin(){for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];if (cur){return iterator(cur, this);}}}iterator end(){return iterator(nullptr, this);}const_iterator begin() const{for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];if (cur){return iterator(cur, this);}}}const_iterator end() const{return iterator(nullptr, this);}bool Erase(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;return true;}else{prev = cur;cur = cur->_next;}}return false;}private:vector<Node*> _tables;size_t _n = 0;};};

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