【C++：封装红黑树】C++红黑树封装实战：从零实现MyMap与MySet
🔥艾莉丝努力练剑：个人主页
❄专栏传送门：《C语言》、《数据结构与算法》、C/C++干货分享&学习过程记录、Linux操作系统编程详解、笔试/面试常见算法：从基础到进阶、测试开发要点全知道
⭐️为天地立心，为生民立命，为往圣继绝学，为万世开太平
🎬艾莉丝的简介：
🎬艾莉丝的C++专栏简介：
目录
C++的两个参考文档
1 ~> 分析：源码及框架
1.1 见一见源码
1.2 对比set和map的源码：泛型编程的应用
2 ~> map和set的模拟实现
2.1 实现出复用红黑树的框架（支持insert）
2.2 迭代器iterator的实现
2.3 迭代器iterator实现思路分析
2.4 map支持[]
bit::map和bit::set完整代码示例与实践演示
RBTree.h：
Map.h：
Set.h：
Test.cpp：
运行结果
结尾
C++的两个参考文档
老朋友（非官方文档）：cplusplus
官方文档（同步更新）： cppreference
set和multiset的参考文档：set、multiset
map和multimap的参考文档：map、multimap
1 ~> 分析：源码及框架
大伙都知道封装红黑树这一块难度那是嘎嘎高的，这个难度其实不在于逻辑，而在于结构。
1.1 见一见源码
还是那句话，虽然没吃过猪肉但我们可以见见过猪跑呀。艾莉丝又来带大家看源码啦——
SGI—STL30版本源代码，map和set的源代码在map / set / stl_map.h / stl_set.h / stl_tree.h等几个头文件中。
源码大家不要去看最新的，最新的源码有的经过十几年的优化，看起来很费劲，我们挑中间的看。
stl_tree.h：
stl_set.h：
stl_map.h：
1.2 对比set和map的源码：泛型编程的应用
虽然底层都是用红黑树实现的，这里我们看源码，第一个模板参数都是Key，区别就在于第二个模板参数，value对于set是key，对map不是——
map和set不是同一棵红黑树实现的，这里其实是用红黑树类模板实现的。
我们通过上面的框架可以看到源码中的rb_tree实现了一个非常巧妙的泛型思想，rb_tree不管是实现Key的搜索场景还是Key / value的搜索场景不是直接写死的，而是由第二个模板参数value来决定_rb_tree_node中存储的数据类型。
set实例化rb_tree的时候第二个模板参数给的是Key，map实例化rb_tree时第二个模板参数给的是pair<const key , T>，这样一个红黑树既可以实现Key搜索场景的set，也可以实现Key / value搜索场景的map。
大家注意，源码里面模板参数是用了T来代表value，而内部写的value_type不是我们日常Key / value场景中说的value，源码中的value_type反而是红黑树节点中，存储的是真实的数据类型。
rb_tree第二个模板参数value已经控制了红黑树节点存储的数据类型，为什么还要穿第一个模板参数Key呢？尤其是set，两个模板参数是一样的，这是很多uu会有的有个疑问。要注意的是对于map和set，find / erase时候的模板参数都是Key，所以第一个模板参数是传给find / erase等函数来做形参的类型的。对于set而言，两个参数是一样的；但是对于map而言就不一样了，map容器Insert的是pair对象，但是find / erase的是Key对象。
2 ~> map和set的模拟实现
2.1 实现出复用红黑树的框架（支持insert）
参考前面的源码框架，map和set确实是复用之前我们实现的红黑树。
这里相比源码调整一下，key参数就用K，value参数就用V，红黑树中的数据类型，我们使用T。
其次因为RBTree实现了泛型不知道T参数导致是K，还是pair<K，V>，那么insert内部进行插入逻辑比较时，就没办法进行比较，因为pair的默认支持的是key和value一起参与比较，我们需要时的任何时候只比较key，所以我们在map和set层分别实现一个MapKeyOfT和SetKeyOfT的仿函数传给
RBTree的KeyOfT，然后RBTree中通过KeyOfT仿函数取出T类型对象中的key，再进行比较，具体
细节参考如下代码实现。
2.2 迭代器iterator的实现
iterator核心代码——
2.3 迭代器iterator实现思路分析
iterator实现的大框架跟list的iterator思路是一致的，用一个类型封装结点的指针，再通过重载运算符实现，迭代器有像指针一样访问的行为。
这里的难点是operator++和operator--的实现。之前在使用部分，我们分析map和set的迭代器走的是中序遍历，左子树~>根结点~>右子树，那么begin()会返回中序第一个结点的iterator也就是10所在结点的迭代器。
迭代器++的核心逻辑就是不看全局，只看局部，只考虑当前中序局部要访问的下一个结点。
迭代器++时，如果it指向的结点的右子树不为空，代表当前结点已经访问完了，要访问下一个结点是右子树的中序第一个，一棵树中序第一个是最左结点，所以直接找右子树的最左结点即可。
迭代器++时，如果it指向的结点的右子树空，代表当前结点已经访问完了且当前结点所在的子树也
访问完了，要访问的下一个结点在当前结点的祖先里面，所以要沿着当前结点到根的祖先路径向上
找。
如果当前结点是父亲的左，根据中序左子树~>根结点~>右子树，那么下一个访问的结点就是当前结点的父亲；如下图——
it指向25，25右为空，25是30的左，所以下一个访问的结点就是30。
如果当前结点是父亲的右，根据中序左子树~>根结点~>右子树，当前当前结点所在的子树访问完了，当前结点所在父亲的子树也访问完了，那么下一个访问的需要继续往根的祖先中去找，直到找
到孩子是父亲左的那个祖先就是中序要问题的下一个结点。如下图——
it指向15，15右为空，15是10的右，15所在子树话访问完了，10所在子树也访问完了，继续往上找，10是18的左，那么下一个访问的结点就是18。
end()如何表示呢？如下图——
当it指向50时，++it时，50是40的右，40是30的右，30是18的右，18到根没有父亲，没有找到孩子是父亲左的那个祖先，这是父亲为空了，那我们就把it中的结点指针置为nullptr，我们用nullptr去充当end。需要注意的是stl源码空，红黑树增加了一个哨兵位头结点作为end()，这哨兵位头结点和根互为父亲，左指向最左结点，右指向最右结点。相比我们用nullptr作为end()，差别不大，他能实现的，我们也能实现。只是--end()判断到结点时空，特殊处理一下，让迭代器结点指向最右结点。具体大家可以参考迭代器--的实现。
迭代器-的实现跟++的思路完全类似，逻辑正好反过来即可，因为他访问顺序是右子树~>根结点~>
左子树，具体参考可以看艾莉丝放在文章最后的代码实现。
set的iterator也不支持修改，我们把set的第二个模板参数改成const K即可——
RBTree<K，const K，SetKeyOfT> _t;map的iterator不支持修改key但是可以修改value，我们把map的第二个模板参数pair的第一个参
数改成const K即可——
RBTree<K，pair<constK，V>，MapKeyOfT>_t;
如下图所示，header是“哨兵位”，在学习数据结构中的二叉树时，我们就已经了解过哨兵位了——
2.4 map支持[]
1、map要支持[ ]主要需要修改insert返回值支持，修改RBtree中的insert返回值为：
pair<Iterator,bool> Insert(const T& data)2、map支持[ ]，insert支持[ ]实现就很简单了。
bit::map和bit::set完整代码示例与实践演示
RBTree.h：
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct RBTreeIterator
{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;RBTreeIterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}Self& operator++(){if (_node->_right){Node* minRight = _node->_right;while (minRight->_left){minRight = minRight->_left;}_node = minRight;}else{Node* cur = _node;Node* parent = cur->_parent;while (parent && cur == parent->_right){cur = parent;parent = parent->_parent;}_node = parent;}return *this;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const Self& s){return _node == s._node;}
};template<class K, class T, class KeyOfT>
struct RBTree
{typedef RBTreeNode<T> Node;
public:typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> ConstIterator;~RBTree(){Destroy(_root);_root = nullptr;}Iterator Begin(){Node* minLeft = _root;while (minLeft && minLeft->_left){minLeft = minLeft->_left;}return Iterator(minLeft);}Iterator End(){return Iterator(nullptr);}ConstIterator Begin() const{Node* minLeft = _root;while (minLeft && minLeft->_left){minLeft = minLeft->_left;}return ConstIterator(minLeft);}ConstIterator End() const{return ConstIterator(nullptr);}pair<Iterator, bool> Insert(const T& data){if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;return { 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))else if (kot(data) < kot(cur->_data)){parent = cur;cur = cur->_left;}else{return { Iterator(cur), false };}}// 新增红色cur = new Node(data);Node* newnode = cur;cur->_col = RED;if (kot(parent->_data) < kot(data)){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;while (parent && parent->_col == RED){Node* grandfather = parent->_parent;if (grandfather->_left == parent){// g// p uNode* uncle = grandfather->_right;// 叔叔存在且为空if (uncle && uncle->_col == RED){// 变色+继续往上处理parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else // 叔叔不存在或者叔叔存在且为黑{// g// p u//c// 单旋+变色if (cur == parent->_left){RotateR(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{// g// p u// c// 双旋+变色RotateL(parent);RotateR(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}else{// g// u pNode* uncle = grandfather->_left;// 叔叔存在且为红，-》变色即可if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续往上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else{// 情况二：叔叔不存在或者存在且为黑// 旋转+变色// g// u p// cif (cur == parent->_right){RotateL(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{// g// u p// cRotateR(parent);RotateL(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}}_root->_col = BLACK;return { Iterator(newnode), true };}void RotateR(Node* parent){Node* subL = parent->_left;Node* subLR = subL->_right;parent->_left = subLR;if (subLR)subLR->_parent = parent;Node* parentParent = parent->_parent;subL->_right = parent;parent->_parent = subL;if (parent == _root){_root = subL;subL->_parent = nullptr;}else{if (parentParent->_left == parent){parentParent->_left = subL;}else{parentParent->_right = subL;}subL->_parent = parentParent;}}void RotateL(Node* parent){Node* subR = parent->_right;Node* subRL = subR->_left;parent->_right = subRL;if (subRL)subRL->_parent = parent;Node* parentParent = parent->_parent;subR->_left = parent;parent->_parent = subR;if (parentParent == nullptr){_root = subR;subR->_parent = nullptr;}else{if (parent == parentParent->_left){parentParent->_left = subR;}else{parentParent->_right = subR;}subR->_parent = parentParent;}}Iterator Find(const K& key){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 End();}int Height(){return _Height(_root);}int Size(){return _Size(_root);}
private:int _Size(Node* root){if (root == nullptr)return 0;return _Size(root->_left) + _Size(root->_right) + 1;}int _Height(Node* root){if (root == nullptr)return 0;int leftHeight = _Height(root->_left);int rightHeight = _Height(root->_right);return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;}void Destroy(Node* root){if (root == nullptr)return;Destroy(root->_left);Destroy(root->_right);delete root;}
private:Node* _root = nullptr;
};Map.h：
#pragma once#include"RBTree.h"namespace jqj
{template<class K, class V>class map{struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<K, V>& kv){return kv.first;}};public:typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::Iterator iterator;typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::ConstIterator const_iterator;iterator begin(){return _t.Begin();}iterator end(){return _t.End();}const_iterator begin() const{return _t.Begin();}const_iterator end() const{return _t.End();}pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv){return _t.Insert(kv);}iterator find(const K& key){return _t.Find(key);}V& operator[](const K& key){//pair<iterator, bool> ret = _t.Insert({ key, V() });auto [it, flag] = _t.Insert({ key, V() });return it->second;}private:RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;};
}Set.h：
#pragma once#include"RBTree.h"namespace jqj
{template<class K>class set{struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};public:typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::Iterator iterator;typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::ConstIterator const_iterator;iterator begin(){return _t.Begin();}iterator end(){return _t.End();}const_iterator begin() const{return _t.Begin();}const_iterator end() const{return _t.End();}pair<iterator, bool> insert(const K& key){return _t.Insert(key);}iterator find(const K& key){return _t.Find(key);}private:RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;};
}Test.cpp：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;#include"RBTree.h"#include"Map.h"
#include"Set.h"template<class T>
void func(const jqj::set<T>& s)
{typename jqj::set<T>::const_iterator it = s.begin();while (it != s.end()){//*it = 1;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}void Test_set()
{jqj::set<int> s;s.insert(1);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(5);s.insert(0);s.insert(10);s.insert(8);jqj::set<int>::iterator it = s.begin();// *it += 10;while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;func(s);
}void Test_map()
{jqj::map<string, string> dict;dict.insert({ "sort", "排序" });dict.insert({ "left", "左边" });dict.insert({ "right", "右边" });dict["string"] = "字符串"; // 插入+修改dict["left"] = "左边xxx"; // 修改auto it = dict.begin();while (it != dict.end()){// it->first += 'x'; // 不能修改it->second += 'x';cout << it->first << ":" << it->second << endl;++it;}cout << endl;for (auto& [k, v] : dict){cout << k << ":" << v << endl;}cout << endl;string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };jqj::map<string, int> countMap;for (auto& e : arr){/*auto it = countMap.find(e);if (it != countMap.end()){it->second++;}else{countMap.insert({ e, 1 });}*/countMap[e]++;}for (auto& [k, v] : countMap){cout << k << ":" << v << endl;}cout << endl;
}int main()
{Test_set();Test_map();return 0;
}运行结果
结尾
uu们，本文的内容到这里就全部结束了，艾莉丝再次感谢您的阅读！
往期回顾：
【C++：红黑树】深入理解红黑树的平衡之道：从原理、变色、旋转到完整实现代码
结语：都看到这里啦！那请大佬不要忘记给博主来个“一键四连”哦！
🗡博主在这里放了一只小狗，大家看完了摸摸小狗放松一下吧！🗡
૮₍ ˶ ˊ ᴥ ˋ˶₎ა
