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r6300v2做网站,免费ppt背景图,wordpress产品图片怎么改,网站建设公司资料大全目录 一、前言:STL 容器的魔法揭示 二、STL 哈希容器的历史与演进 2.1 SGI STL 的哈希家族 2.2 C11 引入 unordered 容器 三、深入源码:SGI STL 的 hashtable 架构 3.1 冲突解决方式 四、手写哈希表核心结构 4.1 HashNode:链表节点 …

目录

一、前言:STL 容器的魔法揭示

二、STL 哈希容器的历史与演进

2.1 SGI STL 的哈希家族

2.2 C++11 引入 unordered 容器

三、深入源码:SGI STL 的 hashtable 架构

3.1 冲突解决方式

四、手写哈希表核心结构

4.1 HashNode:链表节点

4.2 HashFunc:泛型哈希函数

4.3 HashTable 模板定义

五、Insert 插入函数 + 自动扩容

六、自定义 unordered_set 封装

七、自定义 unordered_map 封装

八、自定义迭代器支持

九、operator[] 与 key const 限定

9.1 为什么 key 不可修改?

9.2 operator[] 实现

十、总结与建议


一、前言:STL 容器的魔法揭示

在现代 C++ 开发中,unordered_mapunordered_set 是开发者高频使用的数据结构。它们底层使用哈希表(hash table)实现,提供O(1) 平均复杂度的插入和查找,性能极高。

但作为工程师,不能只做容器的使用者,更要理解其背后的实现机制。

本文将从底层原理、SGI STL 源码出发,手动模拟并完整实现一套泛型、可扩展、支持迭代器的 unordered_mapunordered_set 容器。

二、STL 哈希容器的历史与演进

2.1 SGI STL 的哈希家族

早期 C++ 标准未引入哈希表类容器,SGI STL 率先推出 hash_maphash_set,底层封装自定义 hashtable 类,广受欢迎。

但它们并非 C++ 标准的一部分,也不具备跨平台稳定性。

2.2 C++11 引入 unordered 容器

C++11 正式将 unordered_mapunordered_set 纳入 STL,头文件分别是:

#include <unordered_map>
#include <unordered_set>

标准库中 unordered_* 使用开放寻址或拉链法实现,底层逻辑与 SGI STL 类似。


三、深入源码:SGI STL 的 hashtable 架构

SGI STL 的 hash_maphash_set 都建立在 hashtable 基础上。

// hash_map
class hash_map {typedef hashtable<pair<const Key, T>, Key, HashFcn, select1st<pair<const Key, T>>, EqualKey, Alloc> ht;ht rep;
};

核心结构体 __hashtable_node

struct __hashtable_node {__hashtable_node* next; // 链表结构Value val;
};

hashtable 用链式结构(拉链法)处理哈希冲突,使用 vector<node*> 作为桶数组。

3.1 冲突解决方式

  • 拉链法:每个桶中是一个链表,冲突项插入链表头部。

  • 开放寻址法:若冲突则探测下一个空桶。

我们本次采用拉链法实现。


四、手写哈希表核心结构

4.1 HashNode:链表节点

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

4.2 HashFunc:泛型哈希函数

template<class K>
struct HashFunc {size_t operator()(const K& key) const {return static_cast<size_t>(key); // 针对整数类型}
};// string 特化
template<>
struct HashFunc<std::string> {size_t operator()(const std::string& key) const {size_t hash = 0;for (auto ch : key) hash = hash * 131 + ch;return hash;}
};

4.3 HashTable 模板定义

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable {std::vector<HashNode<T>*> _tables;size_t _n; // 元素个数public:bool Insert(const T& data);bool Erase(const K& key);Iterator Begin();Iterator End();void Expand();
};

五、Insert 插入函数 + 自动扩容

插入操作步骤:

  1. 使用哈希函数计算桶索引

  2. 遍历该桶链表判断是否已存在

  3. 若不存在则头插节点

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
bool HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>::Insert(const T& data) {KeyOfT kot;Hash hs;size_t index = hs(kot(data)) % _tables.size();for (HashNode<T>* cur = _tables[index]; cur; cur = cur->_next) {if (kot(cur->_data) == kot(data)) return false;}if (_n >= _tables.size()) Expand();HashNode<T>* node = new HashNode<T>(data);node->_next = _tables[index];_tables[index] = node;++_n;return true;
}

扩容策略:

void Expand() {static const size_t primes[] = {53, 97, 193, 389, 769, 1543, 3079, ...};size_t newSize = NextPrime(_tables.size() * 2);std::vector<HashNode<T>*> new_table(newSize, nullptr);for (auto head : _tables) {for (HashNode<T>* cur = head; cur; ) {HashNode<T>* next = cur->_next;size_t newIdx = hs(kot(cur->_data)) % newSize;cur->_next = new_table[newIdx];new_table[newIdx] = cur;cur = next;}}_tables.swap(new_table);
}

六、自定义 unordered_set 封装

namespace bit {template<class K, class Hash = HashFunc<K>>class unordered_set {struct SetKeyOfT {const K& operator()(const K& key) const { return key; }};hash_bucket::HashTable<K, K, SetKeyOfT, Hash> _ht;public:bool insert(const K& key) { return _ht.Insert(key); }};
}

测试用例:

bit::unordered_set<int> uset;
uset.insert(3);
uset.insert(7);

七、自定义 unordered_map 封装

namespace bit {template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>class unordered_map {struct MapKeyOfT {const K& operator()(const std::pair<K, V>& kv) const { return kv.first; }};hash_bucket::HashTable<K, std::pair<K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht;public:bool insert(const std::pair<K, V>& kv) { return _ht.Insert(kv); }V& operator[](const K& key) {std::pair<K, V> kv(key, V());auto ret = _ht.Insert(kv);return const_cast<V&>(ret.first->_data.second);}};
}

用法示例:

bit::unordered_map<std::string, int> umap;
umap["apple"] = 5;

八、自定义迭代器支持

迭代器功能:

  • 支持 for(auto it = begin(); it != end(); ++it)

  • 封装当前节点和哈希表指针

template<class K, class T, class Ptr, class Ref, class KeyOfT, class Hash>
struct HTIterator {HashNode<T>* _node;const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht;Ref operator*() const { return _node->_data; }Self& operator++() {if (_node->_next) _node = _node->_next;else 查找下一个桶...return *this;}
};

九、operator[] 与 key const 限定

9.1 为什么 key 不可修改?

key 决定元素的哈希位置,修改后会导致元素定位混乱。STL 使用 pair<const K, V> 来防止 key 被误改。

9.2 operator[] 实现

V& operator[](const K& key) {pair<K, V> kv(key, V());auto ret = _ht.Insert(kv);return const_cast<V&>(ret.first->_data.second);
}

十、总结与建议

本文从 STL 历史入手,完整实现了通用哈希表,并基于此分别封装了 unordered_mapunordered_set

通过本项目,你掌握了:

  • 哈希表的链式冲突处理

  • 泛型模板 + 仿函数提取 key

  • 插入、查找、扩容的底层实现

  • 迭代器与 const 设计的注意事项

推荐练习:实现 erase()、支持 load_factor、自定义 load 控制、支持迭代器 range-for 等


欢迎评论区与我交流!

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