C++——实现一个简单的unordered_map

无序关联容器

无序关联容器的底层是一个链式哈希表，包括下列四种：

无序关联容器	特点
unordered_set	无序集合，只存储key且不允许重复
unordered_multiset	无序多重集合，只存储key且允许重复
unordered_map	无序映射表，存储key-value且不允许重复
unordered_multimap	无序多重映射表，存储key-value且允许重复

本程序实现了一个具有基础功能的unordered_map

// key-value类型
template<typename K, typename V>
struct Pair
{
	Pair(const K &k = K(), const V &v = V())
		:first(k), second(v)
	{}
	K first;
	V second;
};

//链式哈希表
template<typename K, typename V>
class HashMap
{
public:
	HashMap(int size = 3, double loadFactor = 0.75)
		:mloadFactor(loadFactor),museBucketNum(0)
	{
		// 按照size开辟空间，并给vector添加size个list默认构造的容器
		mhashMap.resize(size);
	}
	
	/**
	 * 插入key-value对，如果插入的key存在，则用新的value将旧的value替换掉
	 * 在unordered_map中insert的返回类型为pair，但是由于尚未实现迭代器，故返回值类型为void
	 */
	void insert(const Pair<K, V> &pair)
	{
		double lf = museBucketNum * 1.0 / mhashMap.size();
		// cout << "lf:" << lf << endl;
		if (lf > mloadFactor) // 扩容
		{
			expand();
		}

		// idx就是桶的下标
		int idx = pair.first % mhashMap.size();
		list<Pair<K, V>> &mylist = mhashMap[idx];
		if (mylist.empty())
		{
			museBucketNum++;
		}
		else
		{
			for (auto &item : mylist)
			{
				if (item.first == pair.first)
				{
					// key已经存在，不会重复插入
					item.second = pair.second;
					return;
				}
			}
		}
		mylist.push_back(pair);
	}

	/**
	 * 传入key，删除key-value对
	 */
	void erase(const K &key)
	{
		// idx就是桶的下标
		int idx = key % mhashMap.size();

		auto &mylist = mhashMap[idx];
		if (!mylist.empty())
		{
			for (auto it = mylist.begin(); it != mylist.end(); ++it)
			{
				if (it->first == key)
				{
					mylist.erase(it);
					if (mylist.empty())
					{
						// 删除后桶为空，更新已使用桶的数量
						museBucketNum--;
					}
					return;
				}
			}
		}
	}

	/**
	 * 传入key，返回包含key的key-value对的迭代器pair
	 * 如果key不存在，返回nullptr
	 */
	Pair<K, V>* find(const K &key)
	{
		int idx = key % mhashMap.size();
		list<Pair<K, V>> &mylist = mhashMap[idx];

		if (!mylist.empty())
		{
			for (auto &item : mylist)
			{
				if (item.first == key)
				{
					return &item;
				}
			}
		}
		return nullptr;
	}

	/**
	 * operator[]的功能：增加一个[key, V()],然后把V()返回进行赋值操作、覆盖旧值、查询
	 * 	
	 * 需要注意的是，map[key]当key不存在时会自动增加[key, V()]，所以不建议使用operator[]查询，只做增加或者覆盖值使用
	 */
	V& operator[](const K &key)
	{
		int idx = key % mhashMap.size();
		list<Pair<K, V>> &mylist = mhashMap[idx];

		if (mylist.empty())
		{
			// 为一个空桶
			museBucketNum++;
		}
		else
		{
			for (auto &item : mylist)
			{
				if (item.first == key)
				{
					return item.second;
				}
			}
		}

		// 插入时调用insert方法，这样新插入元素就会适时扩容哈希表
		insert({ key, V() });

		// 把mylist的尾结点的second返回（insert为尾插）
		return mylist.back().second;
	}

private:
	vector<list<Pair<K, V>>> mhashMap;  // 链式哈希表结构
	double mloadFactor;   	    		// 加载因子 0.75
	int museBucketNum;      		 	// 记录已经使用的桶的个数
	
	/**
	 * 判断是否为素数
	 * 素数的特性：恒等于 6x-1 或者 6x+1，其中 x 是大于等于1的自然数
	 * 由素数的特性可知：循环的步长可以设为 6，每次只判断 6 前后的两个数即可
	 */
	bool isprime(int num)
	{
		// 判断是不是 6x 左右的数
		if (num % 6 != 1 && num % 6 != 5)
		{
			return false;
		}

		int sq = (int)sqrt(num);
		for (int i = 5; i <= sq; i += 6)
		{
			if (num % i == 0 || num % (i+2) == 0)
			{
				return false;
			}
		}
		return true;
	}

	// 哈希表扩容函数
	void expand()
	{
		vector<list<Pair<K, V>>> oldHashMap;

		// oldHashMap放的是旧哈希表的所有内容 mhashMap是空的
		mhashMap.swap(oldHashMap);
		
		// 扩容后的哈希表的桶的个数设置为素数
		int prime = oldHashMap.size() + 1;
		while (!isprime(prime))
		{
			prime++;
		}
		mhashMap.resize(prime);
		museBucketNum = 0;

		// 遍历oldHashMap里面每一个不空的桶，把里面的list结点splice摘下来，放入新的哈希表mhashMap中
		for (list<Pair<K, V>> &mylist : oldHashMap)
		{
			while (!mylist.empty())
			{
				Pair<K, V> &pair = mylist.front();
				int idx = pair.first % mhashMap.size();
				
				list<Pair<K, V>> &newlist = mhashMap[idx];
				if (newlist.empty())
				{
					museBucketNum++;
				}
				newlist.splice(newlist.begin(), mylist, mylist.begin());
			}
		}
	}
};

// 测试代码
int main()
{
	HashMap<int, string> map;
	map.insert({ 1010, "wu" });
	map.insert({ 1020, "fan" });
	map.insert({ 1030, "love" });
	map.insert({ 1040, "yan" });
	map.insert({ 1050, "han" });

	cout << map[1030] << endl;
	//map.erase(1010);
	Pair<int, string> *it = map.find(1010);
	if (it == nullptr)
	{
		cout << "not find" << endl;
	}
	else
	{
		cout << it->first << endl;
	}

	return 0;
}