C++——map和set封装实现

目录

mao和set模拟实现 

模拟实现 

取K的仿函数 

Insert 

迭代器 

begin和end 

 ++和-- 

operator[]

完整代码 

set.h 

map.h 

rbtree.h 

---

mao和set模拟实现 

 STL map和set只是包含了几个头文件

 主要在选中的这个文件里，打开之后我们可以看到红黑树

 用红黑树实现map和set

 set的主要实现

 set里面的value type和key type都是KEY

map里面的value type是pair，key type是KEY

这里用一颗泛型结构的RBTree，通过不同的实例化参数，实现出了map和set。

模拟实现 

这里不用说明红黑树是K还是KV，用T来决定红黑树，使用时T是什么，红黑树就是什么

 如Map传的是pair，T就是pair，Set传的是K，T就是K

 

 T传给了节点里面的data，上面传参传K的原因是find函数要用到，find是通过K去进行查找。

Insert插入数据的时候要比较数据的大小选择合适的位置插入，但这里data是T类型，对于set可直接比较，而map传过来的是pair，如果比较pair就要比较first和second，这种不满足我们的需求，因为比较的时候既要满足set也要满足Map.

我们用仿函数来满足这种要求，这里仿函数是把T里面的k取出来，pair的K就是first

取K的仿函数 

 对于set而言，直接返回就行 

对于map而言，就要取first

 之后修改rbtree.h，创建一个仿函数对象，这个对象是什么类型的就根据什么类型取比较即可

Insert 

 对于Map而言，_t是RBTree类型，Map的insert只需调用红黑树的Insert即可

 set也一样

迭代器 

 迭代器也依靠红黑树的迭代器实现，tyoename作用，告诉编译器是要把类型进行重命名

 以下是红黑树的迭代器

enum Colour
{
	RED,
	BLACK
};

template
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode* _left;
	RBTreeNode* _right;
	RBTreeNode* _parent;

	T _data;
	Colour _col;

	RBTreeNode(const T& data)
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _data(data)
	{}
};

template
struct __RBTreeIterator//迭代器
{
	typedef RBTreeNode Node;
	typedef __RBTreeIterator Self;
	Node* _node;

	__RBTreeIterator(Node* node)//构造
		:_node(node)
	{}

	Ref operator*()//返回引用
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()//返回指针
	{
		return &_node->_data;
	}

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

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

begin和end 

template
struct RBTree
{
	typedef RBTreeNode Node;
public:
	typedef __RBTreeIterator iterator;

	iterator begin()
	{
		Node* left = _root;
		while (left && left->_left)
		{
			left = left->_left;
		}

		return iterator(left);
	}

	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr);
	}
}；

 begin是找最左边的节点，这里的_root是红黑树的根节点，end是最后一个节点的下一个位置就是空。

 ++和-- 

 这里++和--是按照中序进行的

这里访问顺序是左根右

1.如果右子树不为空，++就是找右子树中序的第一个（最左节点）

2.右子树是空，++找孩子不是父亲右的那个父亲

第二句话理解，这里7访问完，父亲是6，7是6右子树，更新cur，parent，8是parent，6是cur，cur不是parent右子树。所以下一个节点是8

--是反向左子树

右根左

1.如果左子树不为空，我们就访问它的最右节点

2.如果为空，访问孩子不是父亲的左的父亲

Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)
		{
			// 下一个就是右子树的最左节点
			Node* left = _node->_right;
			while (left->_left)
			{
				left = left->_left;
			}

			_node = left;
		}
		else
		{
			// 找祖先里面孩子不是祖先的右的那个
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && cur == parent->_right)
			{
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}

			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

	Self& operator--()
	{
		if (_node->_left)
		{
			// 下一个是左子树的最右节点
			Node* right = _node->_left;
			while (right->_right)
			{
				right = right->_right;
			}

			_node = right;
		}
		else
		{
			// 孩子不是父亲的左的那个祖先
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && cur == parent->_left)
			{
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}

			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

operator[]

 []的实现要改造一个迭代器

 map和set的insert也做修改

 

只有map有[]，我们不需要在红黑树里面实现[]，单独给map实现即可

 ret.first是迭代器，->second是KV的value

Map中使用方括号访问键对应的值map[key]时：

1. 若该key存在，则访问取得value值；
2. 若该key不存在，访问仍然成功，取得value对象默认构造的值。具体如下：
   用 []访问，但key不存在时，C++会利用该key及默认构造的value，组成{key，value}对，插入到map中。
   value为 string对象，则构造空串；value为int对象，构造为0。

 范围for也可以使用

完整代码 

set.h 

#include"rbtree.h"
namespace myspace
{
	template
	class set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree::iterator iterator;

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

		iterator end()
		{
			return _t.end();
		}

		pair insert(const K& key)
		{
			return _t.Insert(key);
		}
	private:
		RBTree _t;
	};

	void test_set()
	{
		set s;

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

		s.insert(3);
		s.insert(2);
		s.insert(1);
		s.insert(5);
		s.insert(3);
		s.insert(6);
		s.insert(4);
		s.insert(9);
		s.insert(7);


		it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

map.h 

#include"rbtree.h"
#pragma once

namespace myspace
{
	template
	class map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree, MapKeyOfT>::iterator iterator;

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

		iterator end()
		{
			return _t.end();
		}

		pair insert(const pair& kv)
		{
			return _t.Insert(kv);
		}

		V& operator[](const K& key)
		{
			pair ret = insert(make_pair(key, V()));
			return ret.first->second;
		}
	private:
		RBTree, MapKeyOfT> _t;
	};

	void test_map()
	{
		string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };

		map countMap;
		for (auto& str : arr)
		{
			// 1、str不在countMap中，插入pair(str, int()),然后在对返回次数++
			// 2、str在countMap中，返回value(次数)的引用，次数++;
			countMap[str]++;
		}

		map::iterator it = countMap.begin();
		while (it != countMap.end())
		{
			cout << it->first << ":" << it->second << endl;
			++it;
		}

		for (auto& kv : countMap)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
	}
}

rbtree.h 

enum Colour
{
	RED,
	BLACK
};

template
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode* _left;
	RBTreeNode* _right;
	RBTreeNode* _parent;

	T _data;
	Colour _col;

	RBTreeNode(const T& data)
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _data(data)
	{}
};

template
struct __RBTreeIterator
{
	typedef RBTreeNode Node;
	typedef __RBTreeIterator Self;
	Node* _node;

	__RBTreeIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}

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

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

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

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

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)
		{
			// 下一个就是右子树的最左节点
			Node* left = _node->_right;
			while (left->_left)
			{
				left = left->_left;
			}

			_node = left;
		}
		else
		{
			// 找祖先里面孩子不是祖先的右的那个
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && cur == parent->_right)
			{
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}

			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

	Self& operator--()
	{
		if (_node->_left)
		{
			// 下一个是左子树的最右节点
			Node* right = _node->_left;
			while (right->_right)
			{
				right = right->_right;
			}

			_node = right;
		}
		else
		{
			// 孩子不是父亲的左的那个祖先
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && cur == parent->_left)
			{
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}

			_node = parent;
		}

		return *this;
	}
};

template
struct RBTree
{
	typedef RBTreeNode Node;
public:
	typedef __RBTreeIterator iterator;

	iterator begin()
	{
		Node* left = _root;
		while (left && left->_left)
		{
			left = left->_left;
		}

		return iterator(left);
	}

	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr);
	}

	pair Insert(const T& data)
	{
		KeyOfT kot;

		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			return make_pair(iterator(_root), true);
		}

		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))
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return make_pair(iterator(cur), false);
			}
		}

		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* grandfater = parent->_parent;
			assert(grandfater);
			assert(grandfater->_col == BLACK);
			// 关键看叔叔
			if (parent == grandfater->_left)
			{
				Node* uncle = grandfater->_right;
				// 情况一 : uncle存在且为红，变色+继续往上处理
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandfater->_col = RED;
					// 继续往上处理
					cur = grandfater;
					parent = cur->_parent;
				}// 情况二+三：uncle不存在 + 存在且为黑
				else
				{
					// 情况二：右单旋+变色
					//     g 
					//   p   u
					// c
					if (cur == parent->_left)
					{
						RotateR(grandfater);
						parent->_col = BLACK;
						grandfater->_col = RED;
					}
					else
					{
						// 情况三：左右单旋+变色
						//     g 
						//   p   u
						//     c
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfater);
						cur->_col = BLACK;
						grandfater->_col = RED;
					}

					break;
				}
			}
			else // (parent == grandfater->_right)
			{
				Node* uncle = grandfater->_left;
				// 情况一
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandfater->_col = RED;
					// 继续往上处理
					cur = grandfater;
					parent = cur->_parent;
				}
				else
				{
					// 情况二：左单旋+变色
					//     g 
					//   u   p
					//         c
					if (cur == parent->_right)
					{
						RotateL(grandfater);
						parent->_col = BLACK;
						grandfater->_col = RED;
					}
					else
					{
						// 情况三：右左单旋+变色
						//     g 
						//   u   p
						//     c
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfater);
						cur->_col = BLACK;
						grandfater->_col = RED;
					}

					break;
				}
			}

		}

		_root->_col = BLACK;
		return make_pair(iterator(newnode), true);
	}

	void InOrder()
	{
		_InOrder(_root);
		cout << endl;
	}

	bool IsBalance()
	{
		if (_root == nullptr)
		{
			return true;
		}

		if (_root->_col == RED)
		{
			cout << "根节点不是黑色" << endl;
			return false;
		}

		// 黑色节点数量基准值
		int benchmark = 0;
		/*Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
		if (cur->_col == BLACK)
		++benchmark;

		cur = cur->_left;
		}*/

		return PrevCheck(_root, 0, benchmark);
	}

private:
	bool PrevCheck(Node* root, int blackNum, int& benchmark)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			//cout << blackNum << endl;
			//return;
			if (benchmark == 0)
			{
				benchmark = blackNum;
				return true;
			}

			if (blackNum != benchmark)
			{
				cout << "某条黑色节点的数量不相等" << endl;
				return false;
			}
			else
			{
				return true;
			}
		}

		if (root->_col == BLACK)
		{
			++blackNum;
		}

		if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED)
		{
			cout << "存在连续的红色节点" << endl;
			return false;
		}

		return PrevCheck(root->_left, blackNum, benchmark)
			&& PrevCheck(root->_right, blackNum, benchmark);
	}

	void _InOrder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}

		_InOrder(root->_left);
		cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
		_InOrder(root->_right);
	}

	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

		parent->_right = subRL;
		if (subRL)
			subRL->_parent = parent;

		Node* ppNode = parent->_parent;

		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;

		if (_root == parent)
		{
			_root = subR;
			subR->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (ppNode->_left == parent)
			{
				ppNode->_left = subR;
			}
			else
			{
				ppNode->_right = subR;
			}

			subR->_parent = ppNode;
		}

	}

	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;

		parent->_left = subLR;
		if (subLR)
		{
			subLR->_parent = parent;
		}

		Node* ppNode = parent->_parent;

		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;

		if (_root == parent)
		{
			_root = subL;
			subL->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (ppNode->_left == parent)
			{
				ppNode->_left = subL;
			}
			else
			{
				ppNode->_right = subL;
			}

			subL->_parent = ppNode;
		}

	}

private:
	Node* _root = nullptr;
};