STL源码剖析(set/map)

Posted 2020-08-16 Runnyu

SGI STL中的set跟map

SGI STL中set/map底层都是通过RB-tree实现的。

首先看看RB-tree结点的定义

 1 typedef bool __rb_tree_color_type;
 2 const __rb_tree_color_type __rb_tree_red = false;
 3 const __rb_tree_color_type __rb_tree_black = true;
 4 
 5 // 结点的基类
 6 struct __rb_tree_node_base
 7 {
 8     typedef __rb_tree_color_type color_type;
 9     typedef __rb_tree_node_base* base_ptr;
10 
11     // 关键的4个域
12     color_type color; 
13     base_ptr parent;
14     base_ptr left;
15     base_ptr right;
16     
17     // 返回极值
18     static base_ptr minimum(base_ptr x)
19    {
20         while (x->left != 0) x = x->left;
21         return x;
22     }
23 
24     static base_ptr maximum(base_ptr x)
25     {
26         while (x->right != 0) x = x->right;
27         return x;
28      }
29 }
30 
31 // 多了一个value域
32 template <class Value>
33 struct __rb_tree_node : public __rb_tree_node_base
34 {
35     typedef __rb_tree_node<Value>* link_type;
36     Value value_field;
37 };

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下图是RB-tree结点跟其迭代器的关系

重点看看__rb_tree_iterator的operator++跟operator--，

实际是调用__rb_tree_base_iterator的increment跟decrement。

可以看出迭代器前移/后移的时候会按key的顺序找到下一个/上一个结点。

(set/map<...>::begin()会返回RB-tree中key最小的结点，因此使用operator++遍历会按key的顺序从小到大遍历结点)

 1 void increment()
 2 {
 3     if (node->right != 0) {
 4         node = node->right;
 5         while (node->left != 0)
 6             node = node->left;
 7     }
 8     else {
 9         base_ptr y = node->parent;
10         while (node == y->right) {
11             node = y;
12             y = y->parent;
13         }
14         if (node->right != y)
15             node = y;
16     }
17 }
18 
19 void decrement()
20 {
21     if (node->color == __rb_tree_red &&
22         node->parent->parent == node)
23         node = node->right;
24     else if (node->left != 0) {
25         base_ptr y = node->left;
26         while (y->right != 0)
27             y = y->right;
28         node = y;
29     }
30     else {
31         base_ptr y = node->parent;
32         while (node == y->left) {
33             node = y;
34             y = y->parent;
35         }
36         node = y;
37     }
38 }

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SGI STL中的rb_tree用了一个小trick，就是使用了一个header结点，用来代表整个rb_tree。

该结点与root结点互为父结点，该结点的left指向最左(key最小)的结点，right指向最右(key最大)的结点。

 

除此之外，该rb_tree的实现跟普通的红黑树类似，详情可以查看:http://www.cnblogs.com/runnyu/p/4679279.html。

 1 template <class Key, class Value, class KeyOfValue, class Compare,
 2           class Alloc = alloc>
 3 class rb_tree {
 4     // rb_tree的基本定义
 5 protected:
 6     typedef __rb_tree_node_base* base_ptr;
 7     typedef __rb_tree_node<Value> rb_tree_node;
 8     typedef simple_alloc<rb_tree_node, Alloc> rb_tree_node_allocator;
 9 public:
10     typedef Key key_type;
11     typedef Value value_type;
12     typedef value_type* pointer;
13     typedef value_type& reference;
14     typedef rb_tree_node* link_type;
15     typedef size_t size_type;
16     typedef ptrdiff_t difference_type;
17 
18     typedef __rb_tree_iterator<value_type, reference, pointer> iterator;
19 
20     link_type header;
21     // ...
22     
23     // 主要接口
24     iterator begin() { return leftmost(); } // 返回最左边的结点(最小key)
25     iterator end() { return header; }
26     
27     iterator insert_equal(const value_type& x); // 插入元素 并允许键值相同
28     pair<iterator,bool> insert_unique(const value_type& x); // 插入元素 键值是独一无二的
29     
30 };

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set/multiset

有了rb_tree，set/multiset的实现也只是调用rb_tree的接口而已。

其中set跟multiset不一样的是，set插入的时候调用的是insert_unique()，而multiset调用的是insert_equal()。

下面是给出set的基本定义：

 1 template <class Key, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>
 2 class set {
 3 public:
 4     typedef Key key_type;
 5     typedef Key value_type;  // 使用的value类型跟key一样
 6     typedef Compare key_compare;
 7     typedef Compare value_compare;
 8 private:
 9     typedef rb_tree<key_type, value_type, 
10                   identity<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
11     rep_type t;
12 public:
13     // 接口的实现只是对rb_tree的封装  不一一列举了
14     iterator begin() const { return t.begin(); }
15     iterator end() const { return t.end(); }
16     pair<iterator,bool> insert(const value_type& x) { 
17         pair<typename rep_type::iterator, bool> p = t.insert_unique(x); 
18         return pair<iterator, bool>(p.first, p.second);
19     }
20     // ...
21 };

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map/multimap

map/mulitmap的实现也是通过调用rb_tree的接口。

map/mulitmap不一样的是，map插入的时候调用的是insert_unique()，而multimap调用的是insert_equal()。

下面是给出map的基本定义：

 1 template <class Key, class T, class Compare = less<Key>, class Alloc 
 2 class map {
 3 public:
 4     typedef Key key_type;
 5     typedef T data_type;
 6     typedef T mapped_type;
 7     typedef pair<const Key, T> value_type; // 在rb_tree中value的类型是pair
 8     typedef Compare key_compare;
 9 private:
10     // select1st直接return T.first 用于rb_tree取到key进行比较大小
11     typedef rb_tree<key_type, value_type, 
12                   select1st<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
13     rep_type t;
14     // ...
15     
16     // 接口只是对rb_tree的封装  就不一一列举了
17     iterator begin() { return t.begin(); }
18     iterator end() { return t.end(); }
19     pair<iterator,bool> insert(const value_type& x) { return t.insert_unique(x); }
20      // ...
21 }

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另外STL中有未列入标准的hash_set/hash_map以及C++11中的unordered_set/map，底层是使用hashtable实现的。

相比于用rb_tree实现的set/map，它们的插入删除查找操作具有O(1)的时间复杂度(没有冲突情况下)，但是它们的元素的顺序是无序的。