基于红黑树对map和set容器的封装

本章代码gitee仓库：map和set模拟实现、stl_map_set_tree源码

1. 红黑树的泛型

我们通过查看源码，发现map和set的底层都是红黑树，用的同一个类模板，通过控制传不同的模板参数，从而实例化出不同的类

1.1 红黑树节点

因为要对map和set进行封装，set是K模型，map是KV模型，所以采用模板来对数据类型进行控制

enum Colour
{
	RED,
	BLACK
};
template<class T>
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode<T>* _left;
	RBTreeNode<T>* _right;
	RBTreeNode<T>* _parent;
	T _data;
	Colour _col;

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

1.2 红黑树迭代器

STL库里面红黑树设置了一个头节点，这样在而我们采用的不是库里面方式，用的自己手搓的红黑树，所以在迭代器++或--的时候，采用遍历树的方式

迭代器结构：

这里有三个模板参数，Ptr和Ref可以通过传过来的是普通参数还是const参数来控制采用什么样的迭代器（普通迭代器或者const迭代器）；同时也为map中pair的两个参数通过了很好的访问方式Ref operator*()、Ptr operator->()

template<class T,class Ptr,class Ref>
struct __TreeIterator
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	typedef __TreeIterator<T, Ptr, Ref> Self;
	typedef __TreeIterator<T, T*, T&> Iterator;
	Node* _node;
	//根据实例化的迭代器选择是构造还是拷贝构造
	__TreeIterator(const Iterator&it)
		:_node(it._node)
	{}

	__TreeIterator(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)
		{
			//右不为空，访问右子树的最左节点（最小节点）
			Node* subLeft = _node->_right;
			while (subLeft->_left)
			{
				subLeft = subLeft->_left;
			}
			_node = subLeft;
		}
		else
		{
			//右为空
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			//孩子是父亲左的祖先节点
			while (parent && cur == parent->_right)
			{
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}

	Self& operator--()
	{
		if (_node->_left)
		{
			Node* subRight = _node->_left;
			while (subRight->_right)
			{
				subRight = subRight->_right;
			}
			_node = subRight;
		}
		else
		{
			//孩子是父亲右的节点
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_left)
			{
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}
};

迭代器：

template<class K,class T,class KeyOfT>
struct RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;

public:
	typedef __TreeIterator<T, T*, T&> iterator;
	typedef __TreeIterator<T, const T*, const T&> const_iterator;	//const迭代器

	//迭代器
	iterator begin()
	{
		Node* leftMin = _root;
		while (leftMin && leftMin->_left)
		{
			leftMin = leftMin->_left;
		}
		return leftMin;
	}

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

	const_iterator begin() const
	{
		Node* leftMin = _root;
		while (leftMin && leftMin->_left)
		{
			leftMin = leftMin->_left;
		}
		return leftMin;
	}

	const_iterator end() const
	{
		return const_iterator(nullptr);
	}
    
    // ... ...
    // ... ...
}

1.3 仿函数

当对元素进行插入或者查找的时候，都要进行比较，而map的pair无法直接比较，所以我们设置了仿函数，用来提取key值
这里以Find接口为例，具体可以看代码仓库的完整代码

Node* Find(const K& key)
{
	Node* cur = _root;
	//仿函数
	KeyOfT kot;
	while (cur)
	{
		//提出key值
		if (kot(cur->_data) > key)
		{
			cur = cur->_left;
		}
		else if (kot(cur->_data) < key)
		{
			cur = cur->_right;
		}
		else
			return cur;
	}
	return nullptr;
}

2. 对set的封装

对于set的封装相对简单，在整个设计中，set由于只有一个K值，所以很多模板参数对于set而已作用并不大

set的K值是不允许修改的，所以不管是普通迭代器还是const迭代器，都是采用的const迭代器

这里关于插入的操作，本质上也是为了兼容map，放到下面和map一起说

namespace My_map_set
{
	template<class K>
	class set
	{
        //仿函数
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator iterator;
		typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;

		const_iterator begin() const
		{
			return _t.begin();
		}

		const_iterator end() const
		{
			return _t.end();
		}

		pair<iterator, bool> insert(const K& key)
		{
			pair < typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::iterator, bool > ret = _t.Insert(key);
			return pair<iterator, bool>(ret.first, ret.second);
		}
	private:
		RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
	};
}

我们在封装的时候，采用了一个仿函数SetKeyOfT，这是因为在数据比较的时候，map是pair需要取出里面的key值，为了保持统一，我们对set也使用了仿函数

3. 对map的封装

• map的key值是不允许修改的，而value是允许修改的，使用有const修饰pair里面的key值

  

• map是支持[]的，而[]底层又是调用的insert，所以对于insert的返回值需要进行更改，而map有普通迭代器和const迭代器，不需要指定调用树里面的

  set的迭代器都是const迭代器，所以我们直接调用树里面的迭代器，库里面就是这么实现的：

  

  当这个类被实例化成const迭代器的时候，是一个构造函数，支持了普通迭代器构造const迭代器；

  当这个类被实例化为普通迭代器，那就是拷贝构造

  

namespace My_map_set
{
	template<class K,class V>
	class map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<const 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();
		}

		V& operator[](const K& key)
		{
			pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
			return ret.first->second;
		}

		pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			return _t.Insert(kv);
		}

	private:
		RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
	};
}

---

这里的封装相比之前的vector、list这些容器模拟实现，会麻烦一点，本章也只是对于map和set的核心功能进行实现，具体的可以参考源码进行学习，

那本期的分享就到这里咯，我们下期再见，如果还有下期的话。