5月4日：unordermap/set，哈希以及哈希常用的拉链法，开放地址法，以及模板的特化相关应用

Posted 2023-05-05 qjwxlj

起处较为流行的数据储存方式为树形结构，再加上红黑树等优秀数据结构的发展，直到今天二叉平衡搜索树也经常被应用在各种方面，但是c++库里面还有两个与map/set很像的容器unorderedmap，他们的调用与普通的map几乎一样，有着非常优秀的查找时间复杂度，只是不能像二叉树哪样层序遍历得到顺序的排序结果。

 他们看着相似但是他们的底层却大不相同，unorderedmap（umap)底层为哈希表，哈希是一种映射关系。

首先提出一个问题，若将20.33.4444.5555.66666这些数字存起来，并且保证在查找时有着很优的查找时间复杂度，第一种方法就是开一个很大的数组，用下表直接访问，但是这样有着非常大的空间浪费，于是哈希中的除留余数法可以完美解决这个问题，数组中的每一个数对固定的数取余，可以得到很短的范围数据，将这几个数存入数组，当查找时也可以通过哈希映射查找。

但是因为树有很多但是格子就那么多，肯定免不了空间冲突，这是又有两种方法解决冲突：

1：开放地址法：这种方法时当发现取余数·后余数的位置已经有数据，于是可以向后检测，若后面的空间有空可以将数据放进去。这样就解决了冲突。

其中开放地址发包括开放地址发和二次探测法。

2：拉链法：数组中每个位置存放一个链地址，每次发生冲突时，将数据连在后面，这样也就解决了冲突。

实现哈希表：

首先是闭散列的开放地址法/链地址法：

1：大概架构：unordermap与map很像也是一个容器适配器，通过对容器中的容器修饰达到插入删除查找的目的，其中可以有开散列和闭散列两种选择，开散列就是利用vector容器存数据，用开放地址法解决冲突。闭散列也是用vector容器作为主要结构，其中vector中的数据类型是一个链式的结点，方便用链地址法解决冲突，这个也叫哈希桶。

首先定义一个vector作为map类的类成员变量，vector中存储要放的数据，

首先是往哈希表中插入数据，先得到数据的key值并且对其取余数，得到哈希表中下标的位置，并且检测此位置是否为空，不为空则向后探测，若探测到末尾，令index等于零，继续探测，不可能存在放不下的情况，因为哈希表本就是开了很大的空间，且再负载因子达到0.7左右时开始增容。要注意的是在插入时探测到与插入是key相同的值时返回插入失败，因为其性质与二叉搜索树一样，key值不能重复。

tips：插入时首先要检查负载因子是否达到增容的标准，若达到了进行增容，哈希表的增容与普通表的增容不一样，若只是普通的开辟空间，那么已有的表中数据就会不准确，所以需要重新将原表中的数据重新插入，因此哈希表的增容代价非常大，需要谨慎增容，增容的一般思路是另起一个vector将数据意义挪入新表中，如下图：

 但是还有一种对人来说比较轻松的写法，就是直接开一个新的哈希表，对新表直接开辟足够的空间，调用已经实现的插入函数一一插入，然后将新表中的vector与旧表中的互换，因为新表是临时变量所以出了作用域会自动析构。所以对人来说很省事。

 插入函数到此为止：

然后是查找函数：

一样的思路找到key取余的值，定位到表中，若数值不匹配则继续往后找，因为可能被开放地址放到后面了，一旦遇到空就就结束，但是又有一个问题，若是数据被删除了，就不能确定这个地方曾将有没有过数据，可能曾经有过被删除了，但是被删除之前开放地址到后面去了，就会出错，。但是有一个很巧妙的解决方法，就是给每个数据加一个状态分别是删除，存在和空，这样在遇到空时直接结束，遇到存在和删除时继续向后探测。于是vector中的数据类型就变成了这样：一个有枚举类型构成的状态，和数据本身，

 然后就是一如既往的查找步骤，探测到vector末尾时将index置为一。继续探测，直到找到，或者为空。

 最后是删除：时最简便的：利用已经实现的查找函数找到位置将此位置的状态置为删除即可。

 

因为哈希表可能别map或者set复用所以数据类型应该用模板的范式编程。加入一个仿函数参数控制key的读取，若数据类型为map的pair则仿函数返回pair中的first若为set则返回本身。

 开放地址法就这些，接下来主要实现哈希桶，然后复用哈希桶用实现unorderedmap

大致思路：首先用模板的范式编程实现闭散列的链地址法，在实现的过程中给这个哈希桶预留仿函数模板参数位，为后来的复用做准备。

首先定义一个vector作为类成员变量，然后定义一个struct公共类单链式结点作为vector的数据类型。struct中有一个指向像一个结点的指针变量，和要存储的数据。

 

首先是插入函数：

老方法用除留余数法得到vector中的位置，将此位置赋给一个临时变量，用while迭代这个临时变量检查数据是否重复，然后插入，

 然后是查找：还是老方法，找到位置返回这个结点，没找到返回空；

 最后时删除：这个删除和之前的开散列不一样不可以用find函数直接找到删除，因为这里是单向链表，需要保留前一个结点来保存数据然后删除

tips:这里若删除的节点是第一个结点，就需要单独处理，+_table[i直接指向下一个然后释放空间。

 储存结构时不能没有遍历函数的。然而遍历函数又少不了迭代器所以接下来是迭代器的实现：

与之前红黑树相差不多，先弄一个begin函数返回哈希表中的第一个不为空的数据。然后是end返回一个空指针构造的迭代器，

定义一个迭代器类型，里面存放结点指针，重载解引用运算符和指针访问变量箭头运算符，和不等运算符，以及自增运算符，

比较重要的是自增运算符，这个比价麻烦，因为当vector中一个结点访问完后需要vector向后移动一位，这个比较难处理，于是往迭代器中需要多传一个哈希表的指针。。。。。。

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