【C++】unordered系列容器的封装

你很自由

充满了无限可能

这是很棒的事

我衷心祈祷你可以相信自己

无悔地燃烧自己的人生

-- 东野圭吾 《解忧杂货店》

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1 unordered_map 和 unordered_set

unordered系列的库是以哈希桶为底层的容器，其是用来快速寻找指定数据。这里主要介绍unordered_map和unordered_set。

unordered_map

1. unordered_map是用来储存 <key , value>键值对的容器，可以通过Key快速寻找到其对应的value,注意Key和value的类型可以不一样。并且key不可更改，value可以更改！
2. unordered_map内部并不是按照特定顺序储存的，而是按照key转换得到的数组下标来进行存储，因此内部是无序的！
3. unordered_map通过key查找元素比map快非常多！！！但对应迭代的速度比较慢。
4. unordered_map允许[ ]下标访问！
5. unordered_map只有正向迭代器！没有反向迭代器！

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unordered_set

1. unordered_set是只储存key值的容器！和set相似，用来去重或者判断是否存在！
2. unordered_set内部并不是按照特定顺序储存的，而是按照key转换得到的数组下标来进行存储，因此内部是无序的！
3. 3. unordered_set通过key查找元素比set快非常多！！！但对应迭代的速度比较慢。
4. unordered_set不提供[ ]下标访问！
5. unordered_set只有正向迭代器！没有反向迭代器！

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他们都提供以下接口：

迭代器

函数	功能介绍
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

功能函数

函数	功能介绍
iterator find(const K& key)	返回key在哈希桶中的位置
size_t count(const K& key)	返回哈希桶中关键码为key的键值对的个数
insert	向容器中插入键值对
erase	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

桶操作

函数	功能介绍
size_t bucket_count()const	返回哈希桶中桶的总个数
size_t bucket_size(size_t n)const	返回n号桶中有效元素的总个数
size_t bucket(const K& key)	返回元素key所在的桶号

接下来我们就来实现这些功能！

2 改造哈希桶

2.1 模版参数

unordered_map 和 unordered_set的底层是开散列版本的哈希表（哈希桶），但是他们两个储存的数据却不一样：一个是键值对pair<k , v> , 一个是键值key。所以为了可以让哈希桶适配，就要进行泛型编程的改造，增加模版参数。由上层的unordered_map 和 unordered_set控制底层的哈希桶存储什么数据，因此我们需要添加一个class T模版参数，供上层决定储存什么数据。与之对应的，从数据中获取key的仿函数。
这样加上将转换key为size_t的仿函数，共用四个模版参数：

1. class k : 表明键值key的类型，这是最基本的。
2. class T: 储存的数据类型：pair<k , v> 或 key。
3. class KeyOfT: 如何从T中获取key，这是很关键的，是我感觉最巧妙的一环，通过仿函数来适配不同类型，太妙了！
4. class HashFunc:将key值转换为size_t的数组下标。

通过这四个模版参数，就可以通过传入对应的参数来保证适配！（迭代器我们后续来实现）

template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash>
class HashTable
{
public:typedef HashNode<T> Node;iterator begin(){}iterator end(){}const_iterator begin() const {}const_iterator end() const {}HashTable():hs(),kot(){_table.resize(10, nullptr);_n = 0;}//插入数据pair<iterator, bool> insert(const T kv){}//删除bool erase(const K& key){}//查找iterator find(const K& key){}
private://底层是一个指针数组vector<Node*> _table;//有效数量size_t _n;//仿函数Hash hs;KeyOfT kot;
};

我们的模版参数修改之后，我们的函数体也要进行改造，不能直接写死，要符合泛型编程：

函数基本都是修改了原本的cur->_kv。first 变为 kot(cur->_kv)，通过仿函数来获取key值，并且返回值设置为迭代器。这样无论我们传入的是pair<k , v> 或 key，都可以通过仿函数获取对应的key值！下面给出插入函数的代码，其余函数的改造类似！

插入函数

//插入数据
pair<iterator, bool> insert(const T kv)
{iterator it = find(kot(kv));if (it != end())return make_pair(it, false);//扩容if (_n == _table.size() * 0.7){//直接把原本的节点移动到新的table中即可vector<Node*> newtable(2 * _table.size());//遍历整个数组for (int i = 0; i < _table.size(); i++){if (_table[i]){Node* cur = _table[i];while (cur){//获取数据Node* next = cur->_next;//计算新的映射//kot(cur->_kv) 来获取 T 中的keysize_t hashi = hs(kot(cur->_kv)) % newtable.size();//进行头插cur->_next = newtable[hashi];newtable[hashi] = cur;cur = next;}}}_table.swap(newtable);}//首先寻找到合适下标size_t hashi = hs(kot(kv)) % _table.size();//进行头插Node* newnode = new Node(kv);newnode->_next = _table[hashi];_table[hashi] = newnode;++_n;return make_pair(iterator(newnode , this), true);
}

2.2 加入迭代器

实现封装一定少不了迭代器!!!迭代器可是强大的武器，有了迭代器就可以使用基于范围的for循环，还可以通过迭代器来访问修改数据。

那么我们就要来写一个迭代器，来供我们使用。

哈希表的迭代器和之前写过的迭代器有所不同，我们来看奥：我们搭建一个基本框架:

1. 首先我们需要一个节点指针，这是迭代器中的关键元素，用来访问数据
2. 然后我们的迭代器其要支持++运算，可以移动到下一个节点。移动规则：当前桶没走完就移动到下一个元素， 当前桶走完了就移动到下一个桶的第一个元素，而移动到下一个桶需要哈希表表,所以内部需要有一个哈希表
3. 还要提供基本的!= == * ->运算。
4. 注意构造函数要使用const HashTable* ht低权限，因为我们不会对其修改，还要避免上层传入``const HashTable* `,所以要做好预防！

template<class Ref , class Ptr>
struct _HTIterator
{typedef _HTIterator<Ref, Ptr> Self;//成员Node* _node;//哈希表const HashTable* _pht;//构造函数_HTIterator(Node* node, const HashTable* ht):_node(node),_pht(ht){}//++Self& operator++(){}//判断很好写bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const Self& s){return _node == s._node;}Ref operator*() const{return _node->_kv;}Ptr operator->() const{return &_node->_kv;}
};

如果我们将迭代器正常放在哈希表的外面，会发现报错：编译器不认识 HashTable,很正常，因为HashTable在其后面才进行定义，所以我们可以在迭代器之前加一个HashTable前置声明！或者使用内部类，把迭代器放HashTable内部就好了！

然后我们就来解决这个++的问题：

1. 如果当前桶还没有走到最后，就要移动到下一个节点，使用cur = cur ->next即可！
2. 如果走完当前桶了（next指针是nullptr时），就要向后寻找下一个桶了。
3. 如果找到了就继续进行，没有找到，说明走完了

//++
Self& operator++()
{Hash hs;KeyOfT kot;//++//当前桶没走完就移动到下一个 桶走完了就移动到下一个桶 if (_node->_next) _node = _node->_next;else{//桶走完了就移动到下一个桶size_t i = hs(kot(_node->_kv)) % _pht->_table.size();i++;for (; i < _pht->_table.size(); i++){if (_pht->_table[i])break;}//走完循环有两种可能，要进行判断if (i == _pht->_table.size())_node = nullptr;else{_node = _pht->_table[i];}}return *this;
}

这样我们的迭代器就完成了，再在hashtable中实例化普通迭代器和const迭代器：

//迭代器
typedef _HTIterator<T&, T*> iterator;
//const 迭代器
typedef _HTIterator<const T&, const T*> const_iterator;

然后加入我们begin()和end(）函数

1. begin()：从哈希表的第一个桶开始寻找，找到桶中的第一个元素
2. end() : 设置为空就可以

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

这样底层就实现好了，接下来我们开始在上层做动作！

3 上层封装

底层的哈希桶我们已经改造完毕了，接下来就是在上层来调用：

3.1 unordered_set

先来看unordered_set，其底层要注意：

1. unordered_set储存是key值，注意不可修改！要设置为const变量
2. 使用仿函数SetKeyOfT来从T中获取Key值
3. 上层要通过给对应的哈希函数
4. 大部分函数直接调用底层Hashtable中的函数就可以！
5. 在实例化迭代器时，需要使用typename关键字来明确指出iterator是一个类型，而不是一个变量或者别的什么。

这样我们可以搭建起一个框架

//仿函数
template<class K>
struct SetKeyOfT
{const K operator()(const K& k){return k;}
};template<class K ,class Hash = HashFunc<K>>
class my_unoerder_set
{
public://迭代器typedef typename HashTable<K, const K, SetKeyOfT<K>, Hash >::iterator iterator;typedef typename HashTable<K, const K, SetKeyOfT<K>, Hash >::const_iterator const_iterator;pair<iterator , bool> insert(const K& k){return _table.insert(k);}iterator find(const K& k){return _table.find(k);}bool erase(const K& k){return _table.erase(k);}iterator begin(){return _table.begin();}iterator end(){return _table.end();}const_iterator begin() const{return _table.begin();}const_iterator end() const {return _table.end();}
private:HashTable<K,const K, SetKeyOfT<K> , Hash > _table;
};

这样就设置好了，我们来测试一下：

void test_set1()
{my_unoerder_set<string> S;vector<string> arr = { "sort" , "hello" , "JLX" , "Hi" };for (auto e : arr){S.insert(e);}my_unoerder_set<string>::iterator it = S.begin();cout << "-------while循环遍历--------" << endl;while (it != S.end()){//(*it)++;std::cout << *it << endl;++it;}cout << "-------基于范围的for循环--------" << endl;for (auto e : S){//e++;cout << e << endl;}cout << "-------查找\"hello\"--------" << endl;cout << *(S.find("hello")) << endl;
}

测试结果：

完美，这样unordered_set就完成了，当然还可以继续完善功能函数，其他的函数比较简单就不加赘述。

3.2 unordered_map

继续来看unordered_map：

1. 与unordered_set不同，unordered_map里面储存的是pair<k , v>，而且注意k值不能修改所以要传入pair<const k , v>!
2. 使用仿函数MapKeyOfT来从T中获取Key值
3. 上层要通过给对应的哈希函数
4. 大部分函数直接调用底层Hashtable中的函数就可以！
5. 在实例化迭代器时，需要使用typename关键字来明确指出iterator是一个类型，而不是一个变量或者别的什么。
6. 另外要额外实现[ ]操作：非常简单，[ ]的运算规则是：如果对应key已经存在，就返回其value值。不存在就进行插入，value设置为初始值，所以直接调用Insert函数就可以，因为Insert函数不会插入重复的数据并且会返回对应的迭代器！

//仿函数
template<class K , class V>
struct MapKeyOfT
{const K& operator()(const pair<K , V>& kv){return kv.first;}
};template<class K , class V, class Hash = HashFunc<K>>
class my_unoerder_map
{
public://迭代器typedef typename HashTable< K, pair<const K, V>, MapKeyOfT<K, V> , Hash>::iterator iterator;typedef typename HashTable< K, pair<const K, V>, MapKeyOfT<K, V> , Hash>::const_iterator const_iterator;pair<iterator, bool> insert(pair<const K, V> kv){return _table.insert(kv);}iterator find(const K& k){return _table.find(k);}bool erase(const K& k){return _table.erase(k);}iterator begin(){return _table.begin();}iterator end(){return _table.end();}//[]操作V& operator[](const K& k){pair<iterator, bool> it = insert(make_pair( k , V() ));return it.first->second;}private:HashTable<K, pair<const K , V>, MapKeyOfT<K , V> , Hash> _table;
};

我们来进行一下测试奥：

void test_unordered_map()
{my_unoerder_map<string, int> countMap;string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜","苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉","苹果","草莓", "苹果","草莓" };for (auto& e : arr){countMap[e]++;}my_unoerder_map<string, int>::iterator it = countMap.begin();while (it != countMap.end()){//(*it).first += 2;cout << (*it).first << ':' << (*it).second << endl;++it;}
}

运行结果：

完美！！！

4 面试题分析

哈希切割

给一个超过100G大小的log file, log中存着IP地址, 设计算法找到出现次数最多的IP地址？

错误回答：通过哈希表，遍历一遍该文件，获取到每个IP地址出现的次数，再遍历一遍哈希表，得到出现次数的IP地址。
…
这样的回答是对哈希理解的不够深导致的，我们看题目条件：超过100G大小的log file！哈希中负载因子一般为0.5 ~ 0.7，所以会有很多空间是浪费的，文件本身已经100G了，可想而知这个哈希表会有多大了！
我们可以使用

1. 分治法：将大文件分割成多个小文件，每个文件分别统计IP出现次数，然后再合并结果。
2. 哈希分区：根据IP地址的哈希值将日志分布到多个小文件中，每个小文件分别处理，最后合并结果。
3. 外部排序：如果内存有限，可以使用外部排序算法来处理大量数据。布隆过滤器：如果内存非常有限，可以使
4. 用布隆过滤器来估算IP地址的出现频率，但可能会有误报。
   …

正确回答(分治 + 哈希)：

1. 预处理：如果日志文件格式允许，可以使用命令行工具（如awk，grep，sort等）对日志进行预处理，提取IP地址并排序。
2. 分治：将大文件分割成多个小文件，每个文件大小可以基于内存限制来决定。
3. 计数：对于每个小文件，使用哈希表统计IP出现次数。合并：将所有小文件的统计结果合并起来。这里可以使
4. 用外部排序或者分布式系统来进行合并。
5. 找到最频繁的IP：在合并结果中找到出现次数最多的IP。

与上题条件相同，如何找到top K的IP？如何直接用Linux系统命令实现？

正确答案：

1. 提取IP地址：使用awk或grep等工具从日志文件中提取IP地址。
2. 排序：使用sort命令对提取出的IP地址进行排序(文件过大可以分成若干个文件进行排序)。
3. 计数：使用uniq -c命令来计数每个IP地址出现的次数。
4. 排序并获取Top K：再次使用sort命令，这次是根据计数进行排序，并使用head -n K来获取前K个结果。
5. 对应指令：awk '{print $1}' log_file | sort | uniq -c | sort -nr | head -n K

位图应用

给定100亿个整数，设计算法找到只出现一次的整数？

正确回答：可以使用位图（Bitmap）数据结构来有效地解决问题。位图是一种数据结构，用于存储与处理布尔值，其中每个值只占用一个位（bit）的空间。位图中是一个整型数组，每个整型可以储存32个比特位

1. 初始化位图：创建一个位图，其大小足以表示所有可能出现的整数。需要一个大小为10亿位的位图。
2. 标记出现次数：遍历所有的整数，对于每个整数，将其在位图中对应的位设置为1。如果整数再次出现，则将其在位图中对应的位设置为-1,在出现就不进行处理。这样，最终位图中为1的位对应的整数就是只出现一次的整数。
3. 收集结果：遍历位图，找到所有为1的位，这些位对应的整数就是只出现一次的整数。

给两个文件，分别有100亿个整数，我们只有1G内存，如何找到两个文件交集？

正确回答：

• 方法一：分治法 + 哈希分桶
  1. 分治法：将每个文件分割成多个小文件，每个小文件的大小可以基于内存限制来决定。
  2. 哈希分桶：使用哈希函数将文件中的整数分布到多个桶中。对于每个桶，可以在内存中处理两个文件中的整数，找到交集。
  3. 合并结果：将所有小文件的交集结果合并起来，得到最终的交集
• 方法二：外部排序
  1. 排序：分别对两个文件进行外部排序。由于内存限制，每次只处理一部分数据。
  2. 合并：使用外部归并排序的思想，逐步合并两个文件中的数据（取整数出现次数少的那部分），找到交集。

位图应用变形：1个文件有100亿个int，1G内存，设计算法找到出现次数不超过2次的所有整数

正确回答：

• 方法一：分治法 + 哈希表
  1. 分治法：将大文件分割成多个小文件，每个小文件的大小可以基于内存限制来决定。
  2. 计数：对于每个小文件，使用哈希表（如std::unordered_map）来计数每个整数出现的次数。
  3. 过滤：遍历哈希表，将出现次数不超过2次的整数输出到结果文件中。
  4. 合并结果：将所有小文件的结果合并起来，得到最终的输出。
• 方法二：哈希分桶
  1. 哈希分桶：使用哈希函数将文件中的整数分布到多个桶中。
  2. 计数：对于每个桶，可以在内存中使用哈希表来计数每个整数出现的次数。
  3. 过滤：遍历哈希表，将出现次数不超过2次的整数输出到结果文件中。
  4. 合并结果：将所有桶的结果合并起来，得到最终的输出

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

下一篇文章见！！！