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【C++】封装哈希表模拟实现unordered_set和unordered_map

news 2025/8/12 6:02:11

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文章目录

一、unordered_xxx系列容器介绍
二、哈希表封装实现

一、unordered_xxx系列容器介绍

我们之前学习过了STL中的map和set，它们的底层是红黑树实现的，增删查改的效率在O(n)。除此之外，STL中还有unordered_map、unordered_multimap和unordered_set、unordered_multiset容器，它们的使用方式和map系列和set系列几乎一模一样，所以我们就不用再详细介绍了，详见【C++】来学习使用set和map吧。

它们的主要区别在于，unordered_xxx系列容器的底层是由哈希表实现的，上一篇文章我们也详细介绍了哈希表，详见【C++】哈希表原理与实现详解。它们的增删查改的效率都在O(1)，总体更优。

二、哈希表封装实现

用哈希表封装unordered_xxx系列容器，选择使用链地址法的哈希桶。实现的过程和之前模拟实现map和set也大体相似，详见【C++】论如何封装红黑树模拟实现set和map。

实现哈希表
封装unordered_map和unordered_set，实现KeyOfT
实现iterator和const_iterator
unordered_map的operator[]

完整实现如下：

hashmap.h：

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
{// Note: assumes long is at least 32 bits.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};const unsigned long* first = __stl_prime_list;const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;// >=const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}template<class K>
struct HashFunc
{size_t operator()(const K& key){return (size_t)key;}
};// 特化
template<>
struct HashFunc<string>
{size_t operator()(const string& key) const{size_t hash = 0;for (auto ch : key){hash += ch;hash *= 131;}return hash;}
};namespace hash_bucket
{template<class T>struct HashNode{T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data), _next(nullptr){}};//由于HTIterator中用到了HashTable，但HashTable的定义写在了下面，因此需要前置声明template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable;template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyOfT, class Hash>struct HTIterator{typedef HashNode<T> Node;typedef HTIterator<K, T, Ref, Ptr, KeyOfT, Hash> Self;Node* _node;const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht;HTIterator(Node* node, const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* pht):_node(node),_pht(pht){ }Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}Self& operator++(){//如果当前桶后面还有结点，++后的结果就是当前桶的下一个结点if (_node->_next){_node = _node->_next;}//如果当前桶后面没有结点了，++后的结果就是后面不为空的桶的第一个结点else{Hash hs;KeyOfT kot;size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_tables.size();hashi++;while (hashi < _pht->_tables.size()){if (_pht->_tables[hashi]){break;}hashi++;}//如果hashi走到了表的末尾，说明走到了end()，_node置为nullptrif (hashi == _pht->_tables.size()){_node = nullptr;}//没有走到末尾，说明找到了不为空的桶，_node为这个桶的第一个节点else{_node = _pht->_tables[hashi];}}return *this;}};template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>class HashTable{template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyOfT, class Hash>friend struct HTIterator;public:typedef HashNode<T> Node;typedef HTIterator<K, T, T&, T*, KeyOfT, Hash> Iterator;typedef HTIterator<K, T, const T&, const T*, KeyOfT, Hash> ConstIterator;public:Iterator Begin(){if (_n == 0){return End();}for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];if (cur){//构造Iterator需要传一个HashTable的指针，this便是return Iterator(cur, this);}}return End();}Iterator End(){//用nullptr充当end()return Iterator(nullptr, this);}ConstIterator Begin() const{if (_n == 0){return End();}for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];if (cur){//构造Iterator需要传一个HashTable的指针，this便是return ConstIterator(cur, this);}}return End();}ConstIterator End() const{//用nullptr充当end()return ConstIterator(nullptr, this);}HashTable(size_t n = __stl_next_prime(0)):_tables(n),_n(0){ }//涉及结点空间的开辟，因此需要自己写析构函数~HashTable(){for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;delete next;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}}pair<Iterator, bool> Insert(const T& data){KeyOfT kot;Iterator it = Find(kot(data));if (it != End()){return {it, false};}Hash hs;//负载因子到了1，需要扩容if (_n == _tables.size()){vector<Node*> newtables(__stl_next_prime(_tables.size() + 1), nullptr);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newtables.size();//cur头插到新表cur->_next = newtables[hashi];newtables[hashi] = cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}_tables.swap(newtables);}size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();//头插新结点Node* newnode = new Node(data);newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;_n++;return { Iterator(newnode, this), true };}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);}cur = cur->_next;}return End();}bool Erase(const K& key){Hash hs;size_t hashi = hs(key) % _tables.size();Node* prev = nullptr;Node* cur = _tables[hashi];KeyOfT kot;while (cur){if (kot(cur->_data) == key){if (prev == nullptr){_tables[hashi] = cur->_next;}else{prev->_next = cur->_next;}_n--;delete cur;return true;}prev = cur;cur = cur->_next;}return false;}private:vector<Node*> _tables;size_t _n; //记录实际存储数据个数};}

unordered_set.h中：

#include"hashmap.h"namespace lydly
{template<class K, class Hash = HashFunc<K>>class unordered_set{struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& k){return k;}};public:typedef typename hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash>::Iterator iterator;typedef typename hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash>::ConstIterator 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;};
}

unordered_map.h中：

#pragma once
#include"hashmap.h"namespace lydly
{template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>class unordered_map{struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<K, V>& kv){return kv.first;}};public:typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash>::Iterator iterator;typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash>::ConstIterator 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 pair<K, V>& kv){return _ht.Insert(kv);}iterator find(const K& key){return _ht.Find(key);}bool erase(const K& key){return _ht.Erase(key);}V& operator[](const K& key){pair<iterator, bool> ret = _ht.Insert({ key, V() });return ret.first->second;}private:hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;};
}