C++ map與set封裝實現(xiàn)過程講解
更新時間：2023年03月08日 10:33:42 作者：平凡的人1
set set是一種關聯(lián)式容器,下面這篇文章主要給大家介紹了關于C++中map和set使用的相關資料,文中通過實例代碼介紹的非常詳細,對大家學習或者使用C++具有一定的參考學習價值,需要的朋友可以參考下
一、前情回顧
set 參數(shù)只有 key，但是map除了key還有value。我們還是需要KV模型的紅黑樹的：
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <time.h>
using namespace std;
enum Color
{
RED,
BLACK,
};
template<class K, class V >
struct RBTreeNode
{
pair<K, V> _kv;
RBTreeNode<K, V>* _left;
RBTreeNode<K, V>* _right;
RBTreeNode<K, V>* _parent;
Color _col;
RBTreeNode(const pair<K,V>& kv)
:_kv(kv)
,_left(nullptr)
,_right(nullptr)
,_parent(nullptr)
,_col(RED)
{}
};
template<class K,class V>
class RBTree
{
typedef RBTreeNode<K, V> Node;
public:
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
_root->_col = BLACK;
return true;
}
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (cur->_kv.first < kv.first)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else if (cur->_kv.first > kv.first)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else
{
return false;
}
}
cur = new Node(kv);
cur->_col = RED;
if (parent->_kv.first < kv.first)
{
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
while (parent && parent->_col == RED)
{
Node* grandfater = parent->_parent;
if (parent == grandfater->_left)
{
Node* uncle = grandfater->_right;
//情況一：u存在且為紅
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
//向上調(diào)整
cur = grandfater;
parent = cur->_parent;
}
else
{
//情況2
if (cur == parent->_left)
{
RotateR(grandfater);
parent->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
}
//情況3
else
{
// g
// p
// c
RotateL(parent);
RotateR(grandfater);
cur->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
}
break;
}
}
else//parent==grandfater->_right
{
Node* uncle = grandfater->_left;
//情況1：u存在且為紅色
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
uncle->_col = parent->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
//向上調(diào)整
cur = grandfater;
parent = cur->_parent;
}
else
{
//情況2：u不存在/u存在為黑色
//g
// p
// c
if (cur == parent->_right)
{
RotateL(grandfater);
grandfater->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
//情況3
// g
// p
// c
else
{
RotateR(parent);
RotateL(grandfater);
cur->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
}
break;
}
}
}
//根變黑
_root->_col = BLACK;
return true;
}
void RotateL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
parent->_right = subRL;
if (subRL)
subRL->_parent = parent;
Node* ppNode = parent->_parent;
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
subR->_parent = ppNode;
}
}
void RotateR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
parent->_left = subLR;
if (subLR)
subLR->_parent = parent;
Node* ppNode = parent->_parent;
parent->_parent = subL;
subL->_right = parent;
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subL;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subL;
}
else
{
ppNode->_right = subL;
}
subL->_parent = ppNode;
}
}
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
}
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return;
_InOrder(root->_left);
cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
_InOrder(root->_right);
}
bool Check(Node*root,int blackNum,int ref)
{
if (root == nullptr)
{
//cout << blackNum << endl;
if (blackNum != ref)
{
cout << "違反規(guī)則：本條路徑的黑色結(jié)點的數(shù)量根最左路徑不相等" << endl;
return false;
}
return true;
}
if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED)
{
cout << "違反規(guī)則：出現(xiàn)連續(xù)的紅色結(jié)點" << endl;
return false;
}
if (root->_col == BLACK)
{
++blackNum;
}
return Check(root->_left,blackNum,ref)
&& Check(root->_right,blackNum,ref);
}
bool IsBalance()
{
if (_root == nullptr)
{
return true;
}
if (_root->_col != BLACK)
{
return false;
}
int ref = 0;
Node* left = _root;
while (left)
{
if (left->_col == BLACK)
{
++ref;
}
left = left->_left;
}
return Check(_root,0,ref);
}
private:
Node* _root = nullptr;
};二、簡化源碼
翻開源碼一看
RBTree的結(jié)構源碼：是KV結(jié)構的紅黑樹
RBTree是通過傳入的Value的值來判斷類型，也就是一棵泛型的RBTree，通過不同的實例化，實現(xiàn)出了Map和Set：
對于map:傳key，對于set:傳pair
map的結(jié)構簡化源碼：
set的結(jié)構簡化源碼：
為了讓我們的紅黑樹能夠識別set與map我們增加一個模板參數(shù)T：
template<class K, class T> class RBTree
對于T模板參數(shù)可能是鍵值Key，也可能是由Key和Value共同構成的鍵值對。
如果是set容器，那么它傳入底層紅黑樹的模板參數(shù)就是Key和Key：
template<class K>
class set
{
private:
RBTree<K,K> _t;
};
如果是map容器，傳入底層紅黑樹的模板參數(shù)就是Key和Key和value的鍵值對：
class map
{
private:
RBTree<K, pair<const K,V>> _t;
};
通過上面，我們可以知道，對于set和map的區(qū)別：我們只要通過第二個模板參數(shù)就能進行區(qū)分，那是不是第一個模板參數(shù)就沒有意義了呢？
對于insert(const Value&v)來說，需要放入存入的值，確實是這個樣子的，插入的值是value，對于set就是key，對于map就是pair。
但是對于find(const Key&key)來說，查找的參數(shù)不是value，找的不是pair而是Key，對于map容器來說就不行了。
**紅黑樹的節(jié)點**：set容器：K和T都是鍵值Key; map容器：K是鍵值Key，T由Key和Value構成的鍵值對；但是底層紅黑樹并不知道上層容器到底是map還是set，因此紅黑樹的結(jié)點當中直接存儲T就行了，如果是set的時候，結(jié)點當中存儲的是鍵值Key；如果是map的時候，結(jié)點當中存儲的就是鍵值對,所以紅黑樹的結(jié)點定義如下,由T類型來決定紅黑樹存的是key還是pair：
template<class T>
//三叉鏈結(jié)構
struct RBTreeNode
{
T _data;
RBTreeNode<T>* _left;
RBTreeNode<T>* _right;
RBTreeNode<T>* _parent;
Color _col;
RBTreeNode(const T& data)
:_data(data)
, _left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _parent(nullptr)
, _col(RED)
{}
};
三、仿函數(shù)
這里存在一個問題??：插入的時候data的大小如何去進行比較：我們并不知道是什么類型是key，還是pair的比較，而我們剛開始kv結(jié)構就直接用kv.first去比較了。
對于set是Key，可以比較
對于map是pair，那我們要取其中的first來比較，但是pair的大小并不是直接按照first去進行比較的，而我們只需要按照first去進行比較
由于底層的紅黑樹不知道傳的是map還是set容器，當需要進行兩個結(jié)點鍵值的比較時，底層紅黑樹傳入的仿函數(shù)來獲取鍵值Key，進行兩個結(jié)點鍵值的比較：這個時候我們就需要仿函數(shù)了，如果是set那就是用于返回T當中的鍵值Key,如果是map那就是用于返回pair的first：
仿函數(shù)/函數(shù)對象也是類，是一個類對象。仿函數(shù)要重載operator()。
namespace HWC
{
template<class K,class V>
class map
{
struct MapKeyOfT
{
const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
{
return kv.first;
}
};
public:
private:
RBTree<K, pair<const K,V>,MapKeyOfT> _t;
};
namespace HWC
{
template<class K>
class set
{
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& key)
{
return key;
}
};
private:
RBTree<K,K,SetKeyOfT> _t;
};
博主畫了個圖更加容易進行比對
查找過程，此時就可以套上我們所寫的仿函數(shù)對象去進行數(shù)據(jù)的大小比較了：
KeyOfT kot;//仿函數(shù)對象
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (kot(cur->_data)<kot(data))
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else if (kot(cur->_data)>kot(data))
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else
{
return false;
}
}
四、迭代器
紅黑樹的正向迭代器是對結(jié)點指針進行了封裝，所以這里的正向迭代器就只有一個成員變量：結(jié)點的指針，并沒有什么其他的地方，迭代器的定義：
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __RBTreeIterator
{
typedef RBTreeNode<T> Node;
typedef __RBTreeIterator<T,Ref,Ptr> Self;
typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
Node* _node;
__RBTreeIterator(Node*node)
:_node(node)
{}
//普通迭代器的時候，它是拷貝構造
//const迭代器的時候，它是構造，支持用普通迭代器構造const迭代器
__RBTreeIterator(const iterator& s)
:_node(s._node)
{}
}
*:解引用操作，返回對應結(jié)點數(shù)據(jù)的引用:
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
->:成員訪問操作符,返回結(jié)點數(shù)據(jù)的引用：
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
!=、==:比較簡單
bool operator !=(const Self & s) const
{
return _node != s._node;
}
bool operator ==(const Self& s) const
{
return _node == s._node;
}
這里的迭代器重點是迭代器的++:
一個結(jié)點的正向迭代器進行++操作后，根據(jù)紅黑樹中序(左、根、右)找到當前結(jié)點的下一個結(jié)點，中序的第一個節(jié)點是最左，迭代器的++怎么去找：
如果節(jié)點的右子樹不為空，++就是找右子樹的最左節(jié)點
如果節(jié)點的右子樹為空，++就是找祖先（孩子是父親的左的那個祖先）
代碼實現(xiàn)：
Self& operator++()
{
if (_node->_right)
{
Node* min = _node->_right;
while (min->_left)
{
min = min->_left;
}
_node = min;
}
else
{
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent && cur == parent->_right)
{
cur = cur->_parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
迭代器的--
對于–，如果是根，–就是左子樹，找到左子樹最大的那一個（最右節(jié)點）
如果節(jié)點的左子樹不為空，--找左子樹最右的節(jié)點
如果節(jié)點的左子樹為空，--找祖先（孩子是父親的右的祖先）
代碼實現(xiàn)：
Self& operator--()
{
if (_node->_left)
{
Node* max = _node->_left;
while (max->_right)
{
max = max->_right;
}
_node = max;
}
else
{
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent&&cur==parent->_left)
{
cur = cur->_parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
不要忘記迭代器的兩個核心成員：begin()與end()
begin()：返回中序（左、根、右）第一個結(jié)點的正向迭代器，即最左節(jié)點，返回的是最左節(jié)點,直接找最左節(jié)點即可
end()：返回中序（左、根、右）最后一個結(jié)點下一個位置的正向迭代器，這里直接用空指針
template<class K, class T,class KeyOfT>
class RBTree
{
typedef RBTreeNode<T> Node;
public:
typedef __RBTreeIterator<T> iterator;
iterator begin()
{
Node* left = _root;
while (left && left->_left)
{
left = left->_left;
}
return iterator(left);
}
iterator end()
{
return iterator(nullptr);
}
}
五、set的實現(xiàn)
通過前面底層紅黑樹的接口進行套用即可實現(xiàn)set的實現(xiàn)：
值得注意的是??：typename:沒有實例化的模板，區(qū)分不了是靜態(tài)變量還是類型，typename告訴編譯器是類型
#pragma once
#include "RBTree.h"
namespace hwc
{
template <class K>
class set
{
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& key)
{
return key;
}
};
public:
//typename:沒有實例化的模板，區(qū)分不了是靜態(tài)變量還是類型，typename告訴編譯器是類型
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator iterator;//key不可以修改
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;
iterator begin() const
{
return _t.begin();
}
iterator end() const
{
return _t.end();
}
pair<iterator,bool> insert(const K& key)
{
//底層紅黑樹的iterator是普通迭代器
pair<typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::iterator, bool> ret = _t.Insert(key);
return pair<iterator, bool>(ret.first, ret.second);//用普通迭代器構造const迭代器
}
private:
RBTree<K, K,SetKeyOfT> _t;
};
void test_set()
{
int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
set<int> s;
for (auto e : a)
{
s.insert(e);
}
set<int>::iterator it = s.begin();
while (it != s.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : s)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
}六、map的實現(xiàn)
同樣是套用上底層紅黑樹的接口，不過map的實現(xiàn)有一個很重要的地方，那就是[]的實現(xiàn)
#pragma once
#include "RBTree.h"
namespace hwc
{
template<class K,class V>
class map
{
struct MapkeyOfT
{
const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
{
return kv.first;
}
};
public:
//typename:沒有實例化的模板，區(qū)分不了是靜態(tài)變量還是類型，typename告訴編譯器是類型
typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapkeyOfT>::iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapkeyOfT>::const_iterator
const_iterator;
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
const_iterator begin() const
{
return _t.begin();
}
const_iterator end() const
{
return _t.end();
}
pair<iterator,bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
{
return _t.Insert(kv);
}
V& operator[](const K& key)
{
pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
return ret.first->second;
}
private:
RBTree<K, pair<const K, V>, MapkeyOfT> _t;
};
void test_map()
{
int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
map<int, int> m;
for (auto e : a)
{
m.insert(make_pair(e, e));
}
map<int, int>::iterator it = m.begin();
while(it!=m.end())
{
it->second++;
cout << it->first << ":" << it->second << endl;
++it;
}
cout << endl;
map<string, int> countMap;
string arr[] = { "蘋果","西瓜","香蕉","蘋果"};
for (auto& e : arr)
{
countMap[e]++;
}
for (auto& kv : countMap)
{
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
}
}七、紅黑樹代碼
最后，在這里送上源碼：
#pragma once
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <time.h>
using namespace std;
enum Color
{
RED,
BLACK,
};
template<class T>
struct RBTreeNode
{
T _data;
RBTreeNode<T>* _left;
RBTreeNode<T>* _right;
RBTreeNode<T>* _parent;
Color _col;
RBTreeNode(const T& data)
:_data(data)
, _left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _parent(nullptr)
, _col(RED)
{}
};
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __RBTreeIterator
{
typedef RBTreeNode<T> Node;
typedef __RBTreeIterator<T,Ref,Ptr> Self;
typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
Node* _node;
__RBTreeIterator(Node*node)
:_node(node)
{}
//普通迭代器的時候，它是拷貝構造
//const迭代器的時候，它是構造，支持用普通迭代器構造const迭代器
__RBTreeIterator(const iterator& s)
:_node(s._node)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
Self& operator++()
{
if (_node->_right)
{
Node* min = _node->_right;
while (min->_left)
{
min = min->_left;
}
_node = min;
}
else
{
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent && cur == parent->_right)
{
cur = cur->_parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
Self& operator--()
{
if (_node->_left)
{
Node* max = _node->_left;
while (max->_right)
{
max = max->_right;
}
_node = max;
}
else
{
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent&&cur==parent->_left)
{
cur = cur->_parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
bool operator !=(const Self & s) const
{
return _node != s._node;
}
bool operator ==(const Self& s) const
{
return _node == s._node;
}
};
template<class K, class T,class KeyOfT>
class RBTree
{
typedef RBTreeNode<T> Node;
public:
typedef __RBTreeIterator<T,T&,T*> iterator;
typedef __RBTreeIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
const_iterator begin() const
{
Node* left = _root;
while (left && left->_left)
{
left = left->_left;
}
return const_iterator(left);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(nullptr);
}
iterator begin()
{
Node* left = _root;
while (left && left->_left)
{
left = left->_left;
}
return iterator(left);
}
iterator end()
{
return iterator(nullptr);
}
pair<iterator,bool> Insert(const T& data)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(data);
_root->_col = BLACK;
return make_pair(iterator(_root),true);
}
KeyOfT kot;
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (kot(cur->_data) < kot(data))
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else if (kot(cur->_data) > kot(data))
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else
{
return make_pair(iterator(cur),false);
}
}
cur = new Node(data);
Node* newnode = cur;
cur->_col = RED;
if (kot(parent->_data) < kot(data))
{
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
while (parent && parent->_col == RED)
{
Node* grandfater = parent->_parent;
if (parent == grandfater->_left)
{
Node* uncle = grandfater->_right;
//情況一：u存在且為紅
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
//向上調(diào)整
cur = grandfater;
parent = cur->_parent;
}
else
{
//情況2
if (cur == parent->_left)
{
RotateR(grandfater);
parent->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
}
//情況3
else
{
// g
// p
// c
RotateL(parent);
RotateR(grandfater);
cur->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
}
break;
}
}
else//parent==grandfater->_right
{
Node* uncle = grandfater->_left;
//情況1：u存在且為紅色
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
uncle->_col = parent->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
//向上調(diào)整
cur = grandfater;
parent = cur->_parent;
}
else
{
//情況2：u不存在/u存在為黑色
//g
// p
// c
if (cur == parent->_right)
{
RotateL(grandfater);
grandfater->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
//情況3
// g
// p
// c
else
{
RotateR(parent);
RotateL(grandfater);
cur->_col = BLACK;
grandfater->_col = RED;
}
break;
}
}
}
//根變黑
_root->_col = BLACK;
return make_pair(iterator(newnode),true);
}
void RotateL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
parent->_right = subRL;
if (subRL)
subRL->_parent = parent;
Node* ppNode = parent->_parent;
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
subR->_parent = ppNode;
}
}
void RotateR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
parent->_left = subLR;
if (subLR)
subLR->_parent = parent;
Node* ppNode = parent->_parent;
parent->_parent = subL;
subL->_right = parent;
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subL;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subL;
}
else
{
ppNode->_right = subL;
}
subL->_parent = ppNode;
}
}
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
}
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return;
_InOrder(root->_left);
cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
_InOrder(root->_right);
}
bool Check(Node* root, int blackNum, int ref)
{
if (root == nullptr)
{
//cout << blackNum << endl;
if (blackNum != ref)
{
cout << "違反規(guī)則：本條路徑的黑色結(jié)點的數(shù)量根最左路徑不相等" << endl;
return false;
}
return true;
}
if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED)
{
cout << "違反規(guī)則：出現(xiàn)連續(xù)的紅色結(jié)點" << endl;
return false;
}
if (root->_col == BLACK)
{
++blackNum;
}
return Check(root->_left, blackNum, ref)
&& Check(root->_right, blackNum, ref);
}
bool IsBalance()
{
if (_root == nullptr)
{
return true;
}
if (_root->_col != BLACK)
{
return false;
}
int ref = 0;
Node* left = _root;
while (left)
{
if (left->_col == BLACK)
{
++ref;
}
left = left->_left;
}
return Check(_root, 0, ref);
}
private:
Node* _root = nullptr;
};到此這篇關于C++ map與set封裝實現(xiàn)過程講解的文章就介紹到這了,更多相關C++ map與set內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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