【C++】map和set的封装（红黑树）
map和set的封装
- 一、介绍
- 二、stl源码剖析
- 三、仿函数获取数值
- 四、红黑树的迭代器
- 五、map的[]
-
- 5.1 普通迭代器转const迭代器
- 六、set源码
- 七、map源码
- 八、红黑树源码
一、介绍
首先要知道map和set的底层都是用红黑树实现的
【数据结构】红黑树
set只需要一个key，但是map既有key也有val。
那么我们怎么同时兼容呢？
二、stl源码剖析
从这张图可以看出红黑树的节点里面存的类型是由Value决定的，跟Key无关。
所以我们实现的时候就可以给RBTree添加一个模板参数
template<class K, class T>
class RBTree
T模板参数我们既可以传K也可以传pair
set：
template <class K>
class set
{
private:
RBTree<K,K> _t;
};
map：
template <class K, class V>
class map
{
private:
RBTree<K, pair<const K,V>> _t;
};
既然通过第二个参数就能确定节点的类型，那么第一个参数有什么用呢?
当我们查找的时候，如果是map，第二个参数就是pair类型，不能使用，所以得加上第一个参数，方便查找。
参照stl的方法定义节点：
template <class T>
struct RBTreeNode
{
RBTreeNode(const T& data)
: _data(kv)
, _left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _parent(nullptr)
, _col(RED)
{}
T _data;
RBTreeNode<K, V>* _left;
RBTreeNode<K, V>* _right;
RBTreeNode<K, V>* _parent;
Colour _col;
};
三、仿函数获取数值
我们知道红黑树是搜索树，插入的时候需要比较大小，而我们插入的有可能是K，也有可能是pair，导致我们无法直接比较。
而stl的做法就是利用仿函数获取我们需要进行比较的元素。
set：
template <class K>
class set
{
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& k)
{
return k;
}
};
public:
private:
RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
};
map：
template <class K, class V>
class map
{
struct MapKeyOfT
{
const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
{
return kv.first;
}
};
public:
private:
RBTree<K, pair<K, V, >, MapKeyOfT> _t;
};
进行大小比较
KeyOfT kot;// 仿函数比较
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (kot(cur->_data) < kot(data))
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (kot(cur->_data) > kot(data))
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else return false;
}
四、红黑树的迭代器
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct RBTIterator
{
typedef RBTreeNode<T> Node;
typedef RBTIterator<T, Ref, Ptr> self;
RBTIterator(Node* node)
: _node(node)
{}
Node* _node;
};
*：解引用操作，返回对应结点数据的引用:
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
->：访问成员操作符，返回节点数据的地址
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
!=、== 比较迭代器是否指向同一节点
bool operator!=(const self& it)
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it)
{
return _node == it._node;
}
begin() 和 end()
begin()：返回的是最左节点（中序遍历的第一个节点）
end()：迭代器的end()一般是返回最后一个节点的下一个位置，这里设置为nullptr。
typedef RBTIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef RBTIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
iterator begin()
{
Node* cur = _root;
while (cur && cur->_left)
{
cur = cur->_left;
}
return iterator(cur);
}
iterator end()
{
return iterator(nullptr);
}
map里面的begin()与end()
typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT >::iterator iterator;
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
这里注意因为编译的时候编译器不知道RBTree这是个类型还是静态成员变量，会编译出错，加上typename就是告诉编译器这里是一个类型。
set的begin()和end()
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT >::iterator iterator;
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
这里重要的是迭代器的++和--
++：
寻找中序遍历的下一个节点：
1️⃣ 如果右子树不为空，++就是找右子树的最左节点。
1️⃣ 如果右子树为空，++就是找祖先（孩子是父亲的左的那个祖先）
self& operator++()
{
if (_node->_right)
{
Node* min = _node->_right;
while (min->_left)
{
min = min->_left;
}
_node = min;
}
else
{
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent && parent->_right == cur)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
--：
跟++刚好是反过来：
1️⃣ 如果左子树不为空，++就是找左子树的最右节点。
1️⃣ 如果左子树为空，++就是找祖先（孩子是父亲的右的那个祖先）
self& operator--()
{
if (_node->_left)
{
Node* max = _node->_left;
while (max && max->_right)
{
max = max->_right;
}
_node = max;
}
else
{
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent && parent->_left == cur)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
这里还有一个重要的问题：
如果这么写那么set的值也可以被修改。那么如何保证set不能被修改呢？
可以直接把普通迭代器和const迭代器都变成const_iterator。
此时这里会出现问题：
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
这里_t是普通对象，会调用普通的迭代器，类型不同，无法返回。
我们只需要在函数后面加上const就可以权限缩小，变成const对象。
iterator begin() const
{
return _t.begin();
}
iterator end() const
{
return _t.end();
}
在红黑树中也要加入对应的const版本begin()和end()
const_iterator begin() const
{
Node* cur = _root;
while (cur && cur->_left)
{
cur = cur->_left;
}
return const_iterator(cur);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(nullptr);
}
五、map的[]
当我们想使用map来统计次数的时候，就需要重载[]。
如果想要支持[]，那么insert的返回值就得设置成pair。
如果在bool就是false，iterator返回当前节点。
return make_pair(iterator(cur), false);
不在就插入。
return make_pair(iterator(newnode), true);
map：
V& operator[](const K& key)
{
pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
return ret.first->second;
}
这里要注意set：
pair<iterator, bool> insert(const K& k)
{
return _t.insert(k);
}
这里的iterator其实是const_iterator，所以导致类型不同。
5.1 普通迭代器转const迭代器
正常情况下普通迭代器不能转化为const迭代器。
为了解决这种情况，我们在迭代器内添加一个拷贝构造即可。
1️⃣ 当传进来的是普通迭代器的时候，iterator是普通迭代器，这个函数相当于拷贝构造
2️⃣ 当传进来的是const迭代器的时候，iterator依然是普通迭代器，此时该函数就相当于构造函数（普通迭代构造const迭代器）。
其实普通迭代器和const的区别就在operator*和operator->
而set的插入不需要修改：
pair<iterator, bool> insert(const K& k)
{
return _t.insert(k);
}
return的时候会调用拷贝构造函数，也就是构造函数，把普通迭代器转化为const迭代器。
六、set源码
#pragma once
#include "RBTree.h"
namespace yyh
{
template <class K>
class set
{
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& k)
{
return k;
}
};
public:
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT >::const_iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT >::const_iterator const_iterator;
iterator begin() const
{
return _t.begin();
}
iterator end() const
{
return _t.end();
}
pair<iterator, bool> insert(const K& k)
{
return _t.insert(k);
}
private:
RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
};
}
七、map源码
#pragma once
#include "RBTree.h"
namespace yyh
{
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 >::const_iterator \
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 const pair<K, V>& kv)
{
return _t.insert(kv);
}
V& operator[](const K& key)
{
pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
return ret.first->second;
}
private:
RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
};
}
八、红黑树源码
#pragma once
#include