C++--哈希表的实现及unorder_set和unorder_map的封装

1.什么是哈希表

哈希表是一种数据结构，用来存放数据的，哈希表存放的数据是无序的，可以实现增删查，当时不能修改数据。可以不经过任何比较，一次直接从表中得到要搜索的元素。如果构造一种存储结构，通过某种函数(hashFunc)使元素的存储位置与它的关键码之间能够建立一一映射的关系，那么在查找时通过该函数可以很快找到该元素。该方式即为哈希(散列)方法，哈希方法中使用的转换函数称为哈希(散列)函数，构造出来的结构称为哈希表(Hash Table)(或者称散列表)。
unordered_map是存储键值对的关联式容器，其允许通过keys快速的索引到与其对应的value。
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。
在内部,unordered_map没有对按照任何特定的顺序排序, 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。
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。
unordered_maps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。
它的迭代器至少是前向迭代器。

unorder_set是用来存储的关联式容器，可以用来快速的查找和去重，在内部是按照无序的方式排列的，它的迭代器和unorder_map的使用相同，其他的特性和unorder_map的特性差不多。

2.哈希冲突

对于两个数据元素的关键字$k_i$和 $k_j$(i != j)，有$k_i$ != $k_j$，但有：Hash($k_i$) ==
Hash($k_j$)，即：不同关键字通过相同哈希哈数计算出相同的哈希地址，该种现象称为哈希冲突或哈希碰撞。把具有不同关键码而具有相同哈希地址的数据元素称为“同义词”。

解决哈希冲突：

引起哈希冲突的一个原因可能是：哈希函数设计不够合理。
哈希函数设计原则：
哈希函数的定义域必须包括需要存储的全部关键码，而如果散列表允许有m个地址时，其值
域必须在0到m-1之间；哈希函数计算出来的地址能均匀分布在整个空间中；哈希函数应该比较简单。

解决哈希冲突两种常见的方法是：闭散列和开散列

闭散列：

线性探测：从发生冲突的位置开始，依次向后探测，直到寻找到下一个空位置为止。

通过哈希函数获取待插入元素在哈希表中的位置，如果该位置中没有元素则直接插入新元素，如果该位置中有元素发生哈希冲突，使用线性探测找到下一个空位置，插入新元素。

开散列：

开散列法又叫链地址法(开链法)，首先对关键码集合用散列函数计算散列地址，具有相同地
址的关键码归于同一子集合，每一个子集合称为一个桶，各个桶中的元素通过一个单链表链
接起来，各链表的头结点存储在哈希表中。

开散列与闭散列比较：
应用链地址法处理溢出，需要增设链接指针，似乎增加了存储开销。事实上：
由于开地址法必须保持大量的空闲空间以确保搜索效率，如二次探查法要求装载因子a <=
0.7，而表项所占空间又比指针大的多，所以使用链地址法反而比开地址法节省存储空间。

3.哈希表的实现

闭散列的实现：

#include 
#include 
#include 
//usng namespace std;
using std::cout;
using std:: endl;
using std::cin;
//闭散列
namespace open_address
{
 //处理不是整形的字符
	template
	struct DefaultHashFunc
	{
		size_t operator()(const T& t)
		{
			return size_t(value(t));

		}
	};
 //特殊化处理字符串
	template<>
	struct DefaultHashFunc
	{
		const size_t operator()(const string& t)
		{
			//KeyofT value;
			size_t num=1;
			for (auto e : t)
			{
				num *= 131;
				num +=e;
			}
			return num;

		}
	};
 //枚举三种状态
	enum State
	{
		Empty,
		Exist,
		Delete
	};
 //哈希节点
	template
	struct HashDateNode
	{
	private:
		T _kv;
		State _state=Empty;
	};
//哈希表
	template
	class HashTable
	{
		typedef HashDateNode Node;
		HashTable()//初始化，开辟10个空间
		{
			_Date.resize(10);
		}
		//插入数值
		bool insert(const T& Date)
		{

			DefaultHashFunc Func;//处理字符串问题
			KeyofT value;//处理set和map的数值问题函数
			//扩容
			if (n * 10 > _Date.size() * 7)//负载因子
			{
				int newsize = _Date.size() * 2;
				vector newHT;
				newHT.resize(newsize);//开辟空间
				for (int i = 0; i < _Date.size(); i++)
				{
					if (_Date._state == Exist)//讲旧数据写入新空间中
					{
						newHT.insert(KetofT(_Date));
					}
					_Date.swap(newHT._Date);//交换数据
				}
			}
			//插入哈希表
			size_t hashi =Func(value(Date))% _Date.size();
			while (_Date[hashi]._state == Exist)//存在就++
			{
				++hashi;
				hashi %= _Date.size();
			}
			_Date[hashi]._kv = Date;
			_Date[hashi]._state = Exist;
			n++;//存放个数加一
			return true;
		}
		//查找函数
		vector Find(const K& t)
		{
			
			DefaultHashFunc Func;
			KeyofT value;
			size_t hashi = Func(value(t)) % _Date.size();
			while (_Date[hashi]._state != Empty)
			{
				if (_Date[hashi]._state == Exist
					&& value(_Date[hashi]) == t)
				{
					return   _Date[hashi];
				}

				++hashi;
				hashi %= _Date.size();
			}

			return nullptr;

		}
 //删除
		bool erash(const K& key)
		{
			
			vector ret = Find(key);//查找是否存在
			if (ret)
			{
				ret._state= Exist;
				n--;
				return true;
			}
			return false;
		}

	private:
		vector _Date;//数据
		size_t n;//存储有效个数
	};
}

开散列的实现

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
//处理字符
template
struct DefaultHashFunc
{
	size_t operator()(const T& t)
	{
		return size_t(t);
	}
};template<>
struct DefaultHashFunc
{
	size_t operator()(const string& t)
	{
		size_t num = 0;
		for (auto e : t)
		{
			num *= 131;
			num += e;
		}
		return num;
	}
};
//哈希桶，闭散列
namespace hash_bucket
{
	template 
	struct HashDateNode
	{
		T _Date;
		HashDateNode* _next;

		HashDateNode(const T& Date)
			:_Date(Date)
			,_next(nullptr)
		{}
	};
	
	template
	class HashDate;//前置声明

	//迭代器
	//template//旧版
	template//新版
	struct HashIterator
	{
		typedef HashDateNode Node;
		
		typedef HashIterator Self;
		typedef HashIterator iterator;

		Node* _node;
		const HashDate* _pht; //设置位const ，防止普通类型无法转化为const类型

		//初始化
		/*const HashIterator(Node* node, HashDate* pht)
			:_node(node)
			, _pht(pht)
		{}*/

		//const初始化
		HashIterator(Node* node, const HashDate*  pht)
			:_node(node)
			, _pht(pht)
		{}


		// 普通迭代器时，他是拷贝构造
		// const迭代器时，他是构造函数
		HashIterator(const iterator& it)//防止set类型的const类型与非const类型的转换（模板不同）
			:_node(it._node)
			, _pht(it._pht)
		{}


		Ref operator*()
		{
			return _node->_Date;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_Date;
		}
		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _node != s._node;
		}
		bool operator==(const Self& s)
		{
			return _node == s._node;
		}
		Self& operator++()
		{
			if (_node->_next)
			{
				_node = _node->_next;
			}
			else
			{
				HashFunc Func;
				KeyofT value;
				size_t hashi = Func(value(_node->_Date)) % _pht->_table.size(); //该用仿函数
				//从下一个哈希桶查找
				hashi++;
				while (hashi < _pht->_table.size())
				{
					if (_pht->_table[hashi])//不为空
					{
						_node = _pht->_table[hashi];
						return *this;
					}
					else//为空
					{
						++hashi;
					}
				}
				_node = nullptr;
			}
			return *this;
		}

	};

	template>
	class HashDate
	{
		typedef HashDateNode Node;
		
		// 
		//友元
		template
		friend struct HashIterator;//可以使用迭代器

	public:
		typedef HashIterator iterator;
		typedef HashIterator const_iterator;

		iterator begin()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				if (cur)
				{
					return iterator(cur,this);
				}
			}

			return iterator(nullptr, this);
		}

		const_iterator begin() const
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				if (cur)
				{
					return iterator(cur, this);
				}
			}

			return iterator(nullptr, this);
		}

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

		
		const_iterator end() const
		{
			return iterator(nullptr, this);
		}
		HashDate()
		{
			_table.resize(10, nullptr);
		}

		~HashDate()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;
					delete cur;
					cur = next;
				}

				_table[i] = nullptr;
			}
		}

		pair Insert(const T& date)
		{
			
			KeyofT value;
			HashFunc Func;
			iterator it = Find(value(date));
			//it!=end()
			if(it != end())
			{
				return make_pair(it,false);
			}

			if (n == _table.size())//扩容
			{
				int newsize = _table.size() * 2;
				vector newHash;
				newHash.resize(newsize);
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)//旧数据
				{
					Node* cur = _table[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;
						size_t hashi = Func(value(cur->_Date))% newsize;
						cur->_next = newHash[hashi];
						newHash[hashi] = cur;
						cur = next;
					}
					_table[i] = nullptr;
				}
				_table.swap(newHash);//交换数据
			}
			//插入
			size_t hashi = Func(value(date))% _table.size();//改变
			//Node* cur = _table[hashi];
			//尾插
			//Node* newNode = new Node(date);
			//while (cur)
			//{
			//	cur = cur->_next;
			//}
			//cur = newNode;
			//头插
			Node* newNode = new Node(date);//新节点
			newNode->_next = _table[hashi];//头结点
			_table[hashi] = newNode;//尾节点
		
			n++;
			return make_pair(iterator(newNode,this),true);
		}


		//查找
		iterator Find(const K& key)//Find为K类型的只用一个数值，T类型的在map中为pair类型
		{
			HashFunc Func;
			KeyofT value;
			size_t hashi = Func(key) % _table.size();
			//size_t hashi = Func(value(key)) % _table.size();//不能使用这个
			Node* cur = _table[hashi];
			while (cur)
			{
				if (value(cur->_Date) == key)//?
				{
					return iterator(cur,this);
				}
				cur = cur->_next;
			}
			return iterator(nullptr,this);
		}

		//删除
		bool Erase(const K& key)
		{
			HashFunc Func;
			KeyofT value;
			iterator ret=Find(key);
			if (ret == end())
				return true;
			size_t x = Func(value(key))% _table.size();
			Node* cur = _table[x];
			Node* prev = nullptr;
			while (cur)
			{
				if (value(cur->_Date) == key)
				{
					if (prev == nullptr)
					{
						_table[x] = cur->_next;
					}
					else
					{
						prev->_next = cur->_next;
					}
					
				}
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
				delete cur;
				return true;
			}
			return false;
		}
		//打印
		void Print()
		{
			for (int i = 10; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					std::cout << cur->_Date.first<<" " << cur->_Date.second <<" " << std::endl;
					cur = cur->_next;
				}
			}
			std::cout << std::endl;
		}

	private:
		vector _table; //存储数据
		size_t n=0; //记录容器中的个数
	};
}

4.Unorderset和Unordermap的实现

4.1 Unorderset

#pragma once
#include "HashTable.h"
using namespace hash_bucket;
//using namespace open_address;


template
class Unorderset
{
	struct SetKeyofT
	{
		const K& operator()(const K& k)
		{
			return k;
		}
	};
public:
	typedef typename hash_bucket::HashDate::const_iterator iterator;
	typedef typename hash_bucket::HashDate::const_iterator const_iterator;

	//typedef typename hash_bucket::HashDate Hash;
public:
	const_iterator begin() const
	{
		return _ht.begin();
	}
	const_iterator end() const
	{
		return _ht.end();
	}
	pair insert(const K& k)
	{
		return _ht.Insert(k);
	}
	iterator find(const K& kk)
	{
		return _ht.Find(kk);
	}
	bool erase(const K& kk)
	{
		return _ht.Erase(kk);
	}
private:
	HashDate _ht;
};

4.2 Unordermap

#pragma once
#include "HashTable.h"
using namespace hash_bucket;
template
class Unordermap
{
	struct MapkeyofT
	{
		const K& operator()(const pair& kt)
		{
			return kt.first;
		}
	};
public:
	typedef typename hash_bucket::HashDate, MapkeyofT>::iterator iterator;//普通迭代器
	typedef typename hash_bucket::HashDate, MapkeyofT>::const_iterator const_iterator;//const迭代器
	//typedef typename hash_bucket::HashDate, MapkeyofT> Hash;
	iterator begin()
	{
		return _ht.begin();
	}
	iterator end()
	{
		return _ht.end();
	}
	const_iterator begin() const
	{
		return _ht.begin();
	}
	const_iterator end() const
	{
		return _ht.end();
	}
	//插入
	pair insert(const pair& kt)
	{
		return _ht.Insert(kt);
	}
	//查找
	iterator find(const K& kk)
	{
		return _ht.Find(kk);
	}
	//重载[]
	T& operator[](const K& kk)
	{
		pair ret = insert(make_pair(kk, T()));
		return ret.first->second;
	}
	//删除
	bool eraser(const K& kk)
	{
		return _ht.Erase(kk);
	}
private:
	HashDate, MapkeyofT> _ht;
};

4.3 完整代码

Ps:具体实现中建议分开写

#pragma once
#include "HashTable.h"
using namespace hash_bucket;
using namespace open_address;

//set实现
template
class Unorderset
{
	struct SetKeyofT
	{
		const K& operator()(const K& k)
		{
			return k;
		}
	};
public:
	typedef typename hash_bucket::HashDate::const_iterator iterator;
	typedef typename hash_bucket::HashDate::const_iterator const_iterator;

	//typedef typename hash_bucket::HashDate Hash;
public:
	const_iterator begin() const
	{
		return _ht.begin();
	}
	const_iterator end() const
	{
		return _ht.end();
	}
	pair insert(const K& k)
	{
		return _ht.Insert(k);
	}
	iterator find(const K& kk)
	{
		return _ht.Find(kk);
	}
	bool erase(const K& kk)
	{
		return _ht.Erase(kk);
	}
private:
	HashDate _ht;
};

//map实现
template
class Unordermap
{
	struct MapkeyofT
	{
		const K& operator()(const pair& kt)
		{
			return kt.first;
		}
	};
public:
	typedef typename hash_bucket::HashDate, MapkeyofT>::iterator iterator;//普通迭代器
	typedef typename hash_bucket::HashDate, MapkeyofT>::const_iterator const_iterator;//const迭代器
	//typedef typename hash_bucket::HashDate, MapkeyofT> Hash;
	iterator begin()
	{
		return _ht.begin();
	}
	iterator end()
	{
		return _ht.end();
	}
	const_iterator begin() const
	{
		return _ht.begin();
	}
	const_iterator end() const
	{
		return _ht.end();
	}
	//插入
	pair insert(const pair& kt)
	{
		return _ht.Insert(kt);
	}
	//查找
	iterator find(const K& kk)
	{
		return _ht.Find(kk);
	}
	//重载[]
	T& operator[](const K& kk)
	{
		pair ret = insert(make_pair(kk, T()));
		return ret.first->second;
	}
	//删除
	bool eraser(const K& kk)
	{
		return _ht.Erase(kk);
	}
private:
	HashDate, MapkeyofT> _ht;
};
//底层实现
#pragma once//防止头文件重复引用
#include 
#include 
#include 
using namespace std;


 //处理不是整形的字符
	template
	struct DefaultHashFunc
	{
		size_t operator()(const T& t)
		{
			return size_t(value(t));

		}
	};
 //特殊化处理字符串
	template<>
	struct DefaultHashFunc
	{
		const size_t operator()(const string& t)
		{
			//KeyofT value;
			size_t num=1;
			for (auto e : t)
			{
				num *= 131;
				num +=e;
			}
			return num;

		}
	};
//开散列
namespace open_address
{

 //枚举三种状态
	enum State
	{
		Empty,
		Exist,
		Delete
	};
 //哈希节点
	template
	struct HashDateNode
	{
	private:
		T _kv;
		State _state=Empty;
	};
//哈希表
	template
	class HashTable
	{
		typedef HashDateNode Node;
		HashTable()//初始化，开辟10个空间
		{
			_Date.resize(10);
		}
		//插入数值
		bool insert(const T& Date)
		{

			DefaultHashFunc Func;//处理字符串问题
			KeyofT value;//处理set和map的数值问题函数
			//扩容
			if (n * 10 > _Date.size() * 7)//负载因子
			{
				int newsize = _Date.size() * 2;
				vector newHT;
				newHT.resize(newsize);//开辟空间
				for (int i = 0; i < _Date.size(); i++)
				{
					if (_Date._state == Exist)//讲旧数据写入新空间中
					{
						newHT.insert(KetofT(_Date));
					}
					_Date.swap(newHT._Date);//交换数据
				}
			}
			//插入哈希表
			size_t hashi =Func(value(Date))% _Date.size();
			while (_Date[hashi]._state == Exist)//存在就++
			{
				++hashi;
				hashi %= _Date.size();
			}
			_Date[hashi]._kv = Date;
			_Date[hashi]._state = Exist;
			n++;//存放个数加一
			return true;
		}
		//查找函数
		vector Find(const K& t)
		{
			
			DefaultHashFunc Func;
			KeyofT value;
			size_t hashi = Func(value(t)) % _Date.size();
			while (_Date[hashi]._state != Empty)
			{
				if (_Date[hashi]._state == Exist
					&& value(_Date[hashi]) == t)
				{
					return   _Date[hashi];
				}

				++hashi;
				hashi %= _Date.size();
			}

			return nullptr;

		}
 //删除
		bool erash(const K& key)
		{
			
			vector ret = Find(key);//查找是否存在
			if (ret)
			{
				ret._state= Exist;
				n--;
				return true;
			}
			return false;
		}

	private:
		vector _Date;//数据
		size_t n;//存储有效个数
	};
}

//哈希桶，闭散列
namespace hash_bucket
{
	template 
	struct HashDateNode
	{
		T _Date;
		HashDateNode* _next;

		HashDateNode(const T& Date)
			:_Date(Date)
			,_next(nullptr)
		{}
	};
	
	template
	class HashDate;//前置声明

	//迭代器
	//template//旧版
	template//新版
	struct HashIterator
	{
		typedef HashDateNode Node;
		
		typedef HashIterator Self;
		typedef HashIterator iterator;

		Node* _node;
		const HashDate* _pht; //设置位const ，防止普通类型无法转化为const类型

		//初始化
		/*const HashIterator(Node* node, HashDate* pht)
			:_node(node)
			, _pht(pht)
		{}*/

		//const初始化
		HashIterator(Node* node, const HashDate*  pht)
			:_node(node)
			, _pht(pht)
		{}


		// 普通迭代器时，他是拷贝构造
		// const迭代器时，他是构造函数
		HashIterator(const iterator& it)//防止set类型的const类型与非const类型的转换（模板不同）
			:_node(it._node)
			, _pht(it._pht)
		{}


		Ref operator*()
		{
			return _node->_Date;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_Date;
		}
		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _node != s._node;
		}
		bool operator==(const Self& s)
		{
			return _node == s._node;
		}
		Self& operator++()
		{
			if (_node->_next)
			{
				_node = _node->_next;
			}
			else
			{
				HashFunc Func;
				KeyofT value;
				size_t hashi = Func(value(_node->_Date)) % _pht->_table.size(); //该用仿函数
				//从下一个哈希桶查找
				hashi++;
				while (hashi < _pht->_table.size())
				{
					if (_pht->_table[hashi])//不为空
					{
						_node = _pht->_table[hashi];
						return *this;
					}
					else//为空
					{
						++hashi;
					}
				}
				_node = nullptr;
			}
			return *this;
		}

	};

	template>
	class HashDate
	{
		typedef HashDateNode Node;
		
		// 
		//友元
		template
		friend struct HashIterator;//可以使用迭代器

	public:
		typedef HashIterator iterator;
		typedef HashIterator const_iterator;

		iterator begin()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				if (cur)
				{
					return iterator(cur,this);
				}
			}

			return iterator(nullptr, this);
		}

		const_iterator begin() const
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				if (cur)
				{
					return iterator(cur, this);
				}
			}

			return iterator(nullptr, this);
		}

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

		
		const_iterator end() const
		{
			return iterator(nullptr, this);
		}
		HashDate()
		{
			_table.resize(10, nullptr);
		}

		~HashDate()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;
					delete cur;
					cur = next;
				}

				_table[i] = nullptr;
			}
		}

		pair Insert(const T& date)
		{
			
			KeyofT value;
			HashFunc Func;
			iterator it = Find(value(date));
			//it!=end()
			if(it != end())
			{
				return make_pair(it,false);
			}

			if (n == _table.size())//扩容
			{
				int newsize = _table.size() * 2;
				vector newHash;
				newHash.resize(newsize);
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)//旧数据
				{
					Node* cur = _table[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;
						size_t hashi = Func(value(cur->_Date))% newsize;
						cur->_next = newHash[hashi];
						newHash[hashi] = cur;
						cur = next;
					}
					_table[i] = nullptr;
				}
				_table.swap(newHash);//交换数据
			}
			//插入
			size_t hashi = Func(value(date))% _table.size();//改变
			//Node* cur = _table[hashi];
			//尾插
			//Node* newNode = new Node(date);
			//while (cur)
			//{
			//	cur = cur->_next;
			//}
			//cur = newNode;
			//头插
			Node* newNode = new Node(date);//新节点
			newNode->_next = _table[hashi];//头结点
			_table[hashi] = newNode;//尾节点
		
			n++;
			return make_pair(iterator(newNode,this),true);
		}


		//查找
		iterator Find(const K& key)//Find为K类型的只用一个数值，T类型的在map中为pair类型
		{
			HashFunc Func;
			KeyofT value;
			size_t hashi = Func(key) % _table.size();
			//size_t hashi = Func(value(key)) % _table.size();//不能使用这个
			Node* cur = _table[hashi];
			while (cur)
			{
				if (value(cur->_Date) == key)//?
				{
					return iterator(cur,this);
				}
				cur = cur->_next;
			}
			return iterator(nullptr,this);
		}

		//删除
		bool Erase(const K& key)
		{
			HashFunc Func;
			KeyofT value;
			iterator ret=Find(key);
			if (ret == end())
				return true;
			size_t x = Func(value(key))% _table.size();
			Node* cur = _table[x];
			Node* prev = nullptr;
			while (cur)
			{
				if (value(cur->_Date) == key)
				{
					if (prev == nullptr)
					{
						_table[x] = cur->_next;
					}
					else
					{
						prev->_next = cur->_next;
					}
					
				}
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
				delete cur;
				return true;
			}
			return false;
		}
		//打印
		void Print()
		{
			for (int i = 10; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					std::cout << cur->_Date.first<<" " << cur->_Date.second <<" " << std::endl;
					cur = cur->_next;
				}
			}
			std::cout << std::endl;
		}

	private:
		vector _table; //存储数据
		size_t n=0; //记录容器中的个数
	};
}