【初阶与进阶C++详解】第二十篇：unordered_map和unordered_set（接口使用+模拟实现）

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【初阶与进阶C++详解】第十九篇：哈希（哈希函数+哈希冲突+哈希表+哈希桶）

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一、unordered_map介绍和使用

1.unordered_map介绍

1. unordered_map是存储键值对(（KV模型）的关联式容器，其允许通过keys快速的索引到与其对应的value。
2. 在unordered_map中，键值通常用于惟一地标识元素，而映射值是一个对象，其内容与此键关联。键和映射值的类型可能不同。
3. 在内部，unordered_map没有对按照任何特定的顺序排序（无序）, 为了能在常数范围内找到key所对应的value，unordered_map将相同哈希值的键值对放在相同的桶中。
4. unordered_map容器通过key访问单个元素要比map快，但它通常在遍历元素子集的范围迭代方面效率较低。
5. unordered_map实现了直接访问操作符(operator[])，它允许使用key作为参数直接访问value。
6. 它的迭代器是一个单向迭代器。

2.unordered_map构造

unordered_map ( const unordered_map& ump )	拷贝构造

3.unordered_map容量

bool empty() const	检测unordered_map是否为空
size_t size() const	获取unordered_map的有效元素个数

4.unordered_map迭代器

begin	返回unordered_map第一个元素的迭代器
end	返回unordered_map最后一个元素下一个位置的迭代器
cbegin	返回unordered_map第一个元素的const迭代器
cend	返回unordered_map最后一个元素下一个位置的const迭代器

5.unordered_map元素访问和查询

operator[]	返回与key对应的value，没有一个默认值
iterator find(const K& key)	返回key在哈希桶中的位置，查找的时间复杂度可以达到O(1)
size_t count(const K& key)	返回哈希桶中关键码为key的键值对的个数，unordered_map中key是不能重复的，因此count函数的返回值最大为1

6.unordered_map修改

pair insert ( const value_type& val )	向容器中插入键值对
iterator erase ( const_iterator position )	删除容器中的键值对
void clear()	清空容器中有效元素个数
void swap(unordered_map&)	交换两个容器中的元素

测试代码：

void test_unordered_map()
{
	unordered_map<int, int> um;
	map<int, int> m;

	int arr[] = { 4,2,3,1,6,8,9,3 };

	for (auto e : arr)
	{
		um.insert(make_pair(e, e));
		m.insert(make_pair(e, e));
	}

	unordered_map<int, int>::iterator umit = um.begin();
	map<int, int>::iterator mit = m.begin();

	cout << "unordered_map:" << endl;
	while (umit != um.end())
	{
		cout << umit->first << ":" << umit->second << endl;
		++umit;
	}
	cout << "map:" << endl;
	while (mit != m.end())
	{
		cout << mit->first << ":" << mit->second << endl;
		++mit;
	}
}

二、unordered_set介绍和使用

1.unordered_set介绍

1. unordered_set是以无特定顺序存储唯一元素的容器，并且允许根据它们的值快速检索单个元素，是一种K模型,不存储键值对，只存储Key。
2. 在unordered_set中，元素的值同时是它的key，它唯一地标识它。键值是不可变的，因unordered_set中的元素不能在容器中修改一次 ，但是可以插入和删除它们。
3. 在内部，unordered_set中的元素不是按任何特定顺序排序的，而是根据它们的哈希值组织成桶，以允许直接通过它们的值快速访问单个元素，时间复杂度可以达到O(1)。
4. unordered_set容器比set容器更快地通过它们的key访问单个元素，尽管它们通常对于通过其元素的子集进行范围迭代的效率较低。
5. 容器中的迭代器至少是单向迭代器。

2.unordered_set构造

unordered_set ( const unordered_set& ust )	拷贝构造

3.unordered_set容量

bool empty() const	检测unordered_map是否为空
size_t size() const	获取unordered_map的有效元素个数

4.unordered_set迭代器

begin	返回unordered_set第一个元素的迭代器
end	返回unordered_set最后一个元素下一个位置的迭代器
cbegin	返回unordered_set第一个元素的const迭代器
cend	返回unordered_set最后一个元素下一个位置的const迭代器

5.unordered_set元素访问和查询

operator[]	返回与key对应的value，没有一个默认值
iterator find(const K& key)	返回key在哈希桶中的位置，查找的时间复杂度可以达到O(1)
size_t count(const K& key)	返回哈希桶中关键码为key的键值对的个数，unordered_map中key是不能重复的，因此count函数的返回值最大为1

6.unordered_set修改

pair insert ( const value_type& val )	向容器中插入键值对
iterator erase ( const_iterator position )	删除容器中的键值对
void clear()	清空容器中有效元素个数
void swap(unordered_set&)	交换两个容器中的元素

测试代码：

void test_unordered_set()
{
	unordered_set<int> us;
	set<int> s;

	int arr[] = { 4,2,3,1,6,8,9,3 };

	for (auto e : arr)
	{
		us.insert(e);
		s.insert(e);
	}

	unordered_set<int>::iterator usit = us.begin();
	set<int>::iterator sit = s.begin();

	cout << "unordered_set:" << endl;
	while (usit != us.end())
	{
		cout << *usit << " ";
		++usit;
	}
	cout << endl;

	cout << "set:" << endl;
	while (sit != s.end())
	{
		cout << *sit << " ";
		++sit;
	}
	cout << endl;
}

三、模拟实现unordered_map和unordered_set

map和set模拟实现

1.框架结构

//模板参数第一个是key关键字，第二个参数不同容器V的类型不同,可以是K，也可以是pair类型
//第三个参数因为T的类型不同，通过value取key的方式就不同，第四个参数就是一个仿函数，为了获取V中K的值然后取模
// unordered_map ->HashTable, MapKeyOfT> _ht;
// unordered_set ->HashTable _ht;
template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
class HashTable
{
	typedef HashNode<T> Node;
public:
private:
	// 指针数组
	vector<Node*> _tables;
	size_t _n = 0;// 记录表中的数据个数
};

2.unordered_map和unordered_set仿函数实现

map和set仿函数实现，我们用新增模板参数代替键值对来进行比较,两者调用同一棵树，用仿函数区分两者

template<class K, class HashFunc = DefaultHash<K>>
	class unordered_set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)//返回键值key
			{
				return key;//set只有一个键值
			}
		};
	};
-----------------------------------------------

template<class K, class V, class HashFunc = DefaultHash<K>>
	class unordered_map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)//返回键值key
			{
				return kv.first;//map是键值对，需要提供kv的first进行比较
			}
		};
	};

4.迭代器实现

下面是迭代器完整模板，哈希表的迭代器类型是单向迭代器，没有反向迭代器，即没有实现–运算符的重载

//声明哈希表
template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
class HashTable;
//迭代器
//模板参数第一个是key关键字，第二个参数不同容器V的类型不同,可以是K，也可以是pair类型
//第三个参数因为T的类型不同，通过value取key的方式就不同，第四个参数就是一个仿函数，为了获取V中K的值然后取模
template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
class __HTIterator
{
	typedef HashNode<T> Node;
	typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, HashFunc> Self;
public:
	Node* _node;
	HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* _pht;
	//初始化，节点指针和哈希表
	__HTIterator(Node* node, HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* pht)
		:_node(node)
		, _pht(pht)
	{}
	//前置++
	Self& operator++()
	{
		if (_node->_next)
		{
			_node = _node->_next;
		}
		else
		{
			KeyOfT kot;
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(kot(_node->_data));
			//当前桶走完了
			++hashi;
			//遍历找下一个不为空的桶
			for (; hashi < _pht->_tables.size(); ++hashi)
			{
				if (_pht->_tables[hashi])
				{
					_node = _pht->_tables[hashi];
					break;
				}
			}

			// 没有找到不为空的桶，用nullptr去做end标识
			if (hashi == _pht->_tables.size())
			{
				_node = nullptr;
			}
		}

		return *this;
	}

	T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	T* operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

	bool operator!=(const Self& s) const
	{
		return _node != s._node;
	}

	bool operator==(const Self& s) const
	{
		return _node == s._node;
	}
};

将迭代器模板添加到哈希中，并且准备好普迭代器和const迭代器，和begin()和end()函数

// unordered_map ->HashTable, MapKeyOfT> _ht;
// unordered_set ->HashTable _ht;
template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
class HashTable
{
	 //迭代器是哈希表的友元
    //由于 ++ 重载函数在寻找下一个结点时，会访问哈希表成员变量 _table，而 _table 是哈希表的私有成员
	template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
	friend class __HTIterator;
	typedef HashNode<T> Node;
public:
	typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, HashFunc> iterator;
	//第一个桶里的第一个节点的迭代器
	iterator begin()
	{
		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i)
		{
			Node* cur = _tables[i];
			if (cur)
			{
				//传送第一个节点数据，哈希表对象地址
				return iterator(cur, this);
			}
		}

		return end();
	}
	//最后一个数据的下一个位置
	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr, this);
	}
private:
	// 指针数组
	vector<Node*> _tables;
	size_t _n = 0;
};

5.封装unordered_map和unordered_set

template<class K, class V, class HashFunc = DefaultHash<K>>
class unordered_map
{
struct MapKeyOfT
{
const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
{
  return kv.first;
}
};
public:
iterator begin()
{
  return _ht.begin();
}

iterator end()
{
  return _ht.end();
}
//配合后面·[]实现所以插入返回值使用pair
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);
}	
	//得到Key返回对应的Value的引用
V& operator[](const K& key)
{
 pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
 return ret.first->second;
}
private:
Bucket::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, HashFunc> _ht;
};
------------------------------------------------------------
template<class K, class HashFunc = DefaultHash<K>>
class unordered_set
{
struct SetKeyOfT
{
  const K& operator()(const K& key)
  {
    return key;
  }
};
public:
//通过类域去取iterator，可能是内置类型或者静态成员变量，typename声明后面为一个类型名称，不是成员函数或者成员变量
typedef typename Bucket::HashTable<K, K, SetKeyOfT, HashFunc>::iterator iterator;

iterator begin()
{
  return _ht.begin();
}

iterator end()
{
  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:
Bucket::HashTable<K, K, SetKeyOfT, HashFunc> _ht;
};

测试代码：

void test_unordered_map()
{
	unordered_map<string, int> countMap;

	string strArr[] = { "香蕉","香蕉" ,"水蜜桃","西瓜","苹果","西瓜","香蕉" ,"苹果","西瓜","苹果","苹果","香蕉" ,"水蜜桃" };

	for (auto& e : strArr)
	{
		countMap[e]++;
	}

	countMap["芒果"] = 10;

	for (auto& e : countMap)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
}
-----------------------------------------------------
void test_unordered_set()
{
	unordered_set<string> s;

	s.insert("sort");
	s.insert("pass");
	s.insert("cet6");
	s.insert("pass");
	s.insert("cet6");

	s.erase("sort");

	for (auto& e : s)
	{
		cout << e << endl;
	}
}

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