Learning C++ No.25【开散列封装unordered_set和unordered_map】

引言:

北京时间:2023/5/29/7:05,上星期更文一篇,且该篇博客在周三就写完了,所以充分体现,咱这个星期摆烂充分,哈哈哈!现在的内心情感没有以前那么从容了,这次摆的时间是有点久了,但本质影响不大,因为我现在还在码字,三天不学习,或者说是没有踏实学习,目前给我的感觉很难受,就像是好久好久没有学习过一样,感觉三天前学的东西,已经忘的差不多了,但,不慌,因为我们有写博客进行总结,可以让我们第一时间将相关知识回顾,所以这也是写博客最大的好处之一,并且在这三天的摆烂中,不是连续性的,而是间断性,可能这个间断性,也是我摆烂的重要原因之一,并且摆烂的过程还是那么朴实无华,王者荣耀,快4个月没玩,一开始玩的不怎样,后来手感越来越好,逐渐疯狂,一路连胜,把把c,这也可能就是为什么能持续摆烂的原因吧!So,简简单单,由于我们上篇博客的内容是哈希表的自我封装,所以该篇博客的内容就是unordered_set和unordered_map的封装 ,希望这不是我周末摆烂的开始,并且摆烂可以,但是一定需要在有一定的学习内容之后,充分反省,希望以后看到该篇博客的引言时,不是以今天这种较为落寞的情绪吧!

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STL中有关unordered_set和unordered_map的知识

在上篇博客中,我们自己封装实现了哈希表,明白了许多有关哈希表的知识,如:哈希函数,哈希地址,哈希下标,哈希值等!那么哈希表有什么用呢?当我们谈到哈希表的用处之时,最好的回答方向就是从哈希表的优势出发,哈希表在查找和访问数据方面具有超高的效率(O(1)),就算是红黑树在查找方面也是远远不如,当然,不同的场景,红黑树和哈希表都各具风骚,否则肯定是一山不容二虎,其中一个早就被淘汰了,其中从之前我们使用红黑树封装set和map的博客中也能看出,红黑树在生活中的许多领域都应用广泛,所以人们特地的将红黑树进行了一定的封装,也就是set和map,同理,哈希表也被人们广泛使用,也被封装成了STL中的某种数据结构(关联式容器),也就是该篇博客的重点内容,unordered_set和unordered_map,所以接下来就让我们一起看看unordered_set和unordered_map的具体使用方法和自我封装吧!如下:

unordered_set和unordered_map的具体使用方法

unordered_set使用方法

unordered_set使用文档
通过文档我们可以看出,unordered_set和我们之前学习的set的使用方式是相同的,本质没有什么区别,所以这里我们不多做分析,具体直接看如下代码:
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简简单单,同理就是插入、查找、删除这些基础接口和迭代器的使用,唯一值得注意的是:此时使用哈希表实现的unordered_set它不同于红黑树实现的set,一个是有序的,一个是无序的,当然,红黑树肯定是中序遍历有序的那一个,哈希表无序,且set是一个双向迭代器,而unordered_set是一个单向迭代器,具体为什么unordered_set设计成单向迭代器,而不设计成双向迭代器,原因如下:

  1. 对应数据在插入和删除的时候,可能会改变原哈希表中相关数据的链接关系,所以很难确保双向迭代器始终能够访问到对应的数据
  2. 因为哈希表中的数据是通过哈希地址控制,且哈希地址是通过哈希函数和对应的哈希值得到,所以哈希表中的数据都是随机无序存储,具有不可预测的性质
  3. 在哈希表结构中(开散列),数据之间是通过链式结构连接在一起的,所以我们可以直接通过对应的哈希地址去访问到对应的链表,再直接遍历链表,找到目标元素,而不需要按照固定的顺序去遍历整个哈希表,效率更高

unordered_map使用方法

unordered_map使用文档
多的不说,少的不唠,同理map使用方法,直接看代码,如下:
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使用方法,同理map相关知识,且具体注意事项,在上述unordered_set已经强调,多了也没有,唯一值得注意的是和unordered_set最大的区别,也就是方括号运算符的使用,当然在map中方括号的实现和使用我们已经详细讲解过了,这里就不多加描述,接下来直接进入unordered_set和unordered_map的封装,如下代码所示:

unordered_set和unordered_map的封装

1.解决不同模型问题
第一点,同理红黑树实现set和map,还是数据类型问题,unordered_set和unordered_map也具有该方面的问题,如何使用同一份哈希表的代码同时实现unordered_set和unordered_map,类比红黑树实现set和map,这里依然使用泛型编程,当然也就是模板来解决该问题,基本原理就是将哈希表的哈希结点设计成一个模板类型,不管是unordered_set还是unordered_map,只要想要调用哈希表就需要把对应类型的模板参数传过来,所以这样我们就可以很好的解决Key模型和Key/Value模型使用同一份哈希代码的问题,具体代码如下:
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如上图所示,总的来说,就是在使用unordered_set和unordered_map这两个模板类的时候,这两个模板类会去调用哈希表构造出一个对象,使用该对象去调用哈希表中的公共成员函数,并且此时传模板参数的时候,unordered_set传的是Key键,而unordered_map 传的是键值对pair结构体,并且注意:该pair结构中的数据也是模板类型,最后将模板参数传递给哈希表之后,哈希表在实例化的过程中,就会将对应的哈希结点给示例化成对应的数据类型,也就是你传Key,那么哈希结点就是Key类型,你传键值对,那么哈希结点就是键值对类型,这就是泛型编程的一大优点

2.解决泛型编程获取Key值问题
搞定了上述有关类型传参问题,此时我们正式开始封装,并且在红黑树中,我们对源码的写法已经有了教深的研究,此时我们就不再去看对应的源码了,因为本质都是换汤不换药,在红黑树封装set和map的博客中,我们已经将有关传模板参数导致不能确定类型的问题给解决了,也就是因为我们传的是模板参数,所以在编写红黑树代码的时候,不能使用具体的类型去访问数据,例:在进行比较大小的时候,unordered_set可以直接使用Key去比较大小,但是unordered_map却不行,因为unordered_map是一个键值对,是一个pair结构体,我们期望比较大小的方法是使用pair结构体中的Key去比较,而不是整个pair结构去比较,所以此时这个问题需要解决,解决的方法就是在unordered_set和unordered_map中构造一个内部类,该类实现一个仿函数,用于返回对应不同模型的Key值,最后再将该内部类作为一个模板参数传递到哈希表中,供给哈希表使用,哈希表再根据该模板参数取构造一个对象,使用该对象去调用对应的仿函数,最终利用仿函数获取到对应模型的Key值,如下代码所示:
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如上图所示,通过上述文字和图示,应该可以很好的搞定该块知识点,本质就是想要获取到键值对pair结构体中的Key值而已,多了的没有,谁让我们想让unordered_set和unordered_map在一个桌子上吃饭呢?

3.解决存储数据类型的问题
OK,这个问题肯定是该篇博客的一个新知识点,虽然我们在哈希表实现的时候,已经详细的讲解过了,但是对于红黑树实现set和map来说,这个知识点是哈希表特有的,所以在此应该是属于新鲜货,值得我们重点讲解,同理哈希表中讲的,哈希表不是为了单单存储整形数据,而是希望可以存储任何类型的数据,无论是字符串类型还是自定义类型,所以为了解决这个问题,那么在进行哈希编码的时候,也就是使用哈希值进行哈希运算计算对应哈希地址的时候,我们需要将每种类型的数据都映射成一个整形数据,因为只有整形数据才可以符合哈希运算要求,但同理我们的数据类型使用的是模板类型,所以想要获取到这个数据类型映射出来的整形值,肯定不能在哈希表中获得,当然也不是在unordered_set或者unordered_map中获得,而是在我们调用unordered_set或者unordered_map进行传参时,通过一定的哈希函数实现获得,从而间接通过unordered_set和unordered_map
将该模板参数传递给哈希表,并且供给哈希表使用,让哈希表可以完成各种类型的哈希运算,从而在相应的哈希地址上存储各种类型的数据,如下图所示:
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正式进入unordered_set和unordered_map的封装

搞定了上述有关泛型编程的知识,此时我们正式进入unordered_set和unordered_map的封装,本质没有什么太新奇的知识点,大致和set、map那块是类似的,也就是基础接口的封装和普通迭代器、const迭代器这些知识,并且基础接口的实现,就是去调用哈希表中对应的接口而已,所以不需要我们多讲,我们同样是把重点放在迭代器上,主要还是因为unordered_set的普通迭代器和const迭代器都是const迭代器,所以这块知识比较细化,需要我们琢磨一下

哈希表中迭代器相关知识

上篇博客,自我封装哈希表中,我们只实现了相关基础接口,并没有实现迭代器,所以因为此时unordered_set和unordered_map需要使用迭代器,此时我们就需要把哈希表的迭代器给实现,具体如下代码所示:
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搞定了哈希表中有关迭代器的知识,此时我们就可以正式进入 unordered_set和 unordered_map的封装啦!如下:

unordered_set的封装

唯一值得注意的是,unordered_set的普通迭代器和const迭代器本质都是const迭代器,所以在实现迭代器时,一定需要格外小心,非常容易因为const导致出错,具体代码如下所示:
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unordered_map的封装

同理,但不同的是此时unordered_map的普通迭代器就是普通迭代器,所以没什么需要特别注意的地方,如果有的话,那么就是键值对pair结构体中的Key值,我们要给成const类型,因为Key值坚决不允许被修改的,具体代码如下:
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总结:哈希代码有关方面的知识,我们搞定的就差不多了,接下来只要认识一下哈希表在位图方面的应用,哈希表有关的知识我们就搞定啦!

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