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- 1. unordered系列关联式容器
- 1.1 unordered_map
- 1.2 接口函数
- 例题
- 2.哈希概念
- 2.1哈希冲突
- 2.2哈希函数
- 2.3哈希冲突解决
- 2.3.1线性探测
- 二次探测
- 2.3.2开散列
- 3. 封装
- 迭代器封装
- 完整代码:
1. unordered系列关联式容器
在C++98中,STL提供了底层为红黑树结构的一系列关联式容器,在查询时效率可达到 l o g 2 N log_2 N log2N,即最差情况下需要比较红黑树的高度次,当树中的节点非常多时,查询效率也不理想。最好的查询是,进行很少的比较次数就能够将元素找到,因此在C++11中,STL又提供了4个unordered系列的关联式容器,这四个容器与红黑树结构的关联式容器使用方式基本类似,只是其底层结构不同
1.1 unordered_map
- unordered_map是存储<key, value>键值对的关联式容器,其允许通过keys快速的索引到与其对应的value。
- 在unordered_map中,键值通常用于惟一地标识元素,而映射值是一个对象,其内容与此键关联。键和映射值的类型可能不同。
- 在内部,unordered_map 没有 对<kye, value>按照任何特定的顺序排序, 为了能在常数范围内找到key所对应的value,unordered_map将相同哈希值的键值对放在相同的桶中。
- unordered_map容器通过key访问单个元素要比map快,但它通常在遍历元素子集的范围迭代方面效率较低。
- unordered_maps实现了直接访问操作符(operator[]),它允许使用key作为参数直接访问value。
- 它的迭代器至少是前向迭代器
1.2 接口函数
operator[]:注意:该函数中实际调用哈希桶的插入操作**,用参数key与V()构造一个默认值往底层哈希桶中插入,如果key不在哈希桶中,插入成功,返回V(),插入失败,说明key已经在哈希桶中,将key对应的value返回**
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
例题
题目链接:重复N次的元素
题目描述:
class Solution {
public:int repeatedNTimes(vector<int>& nums) {unordered_map<int,int> mp;int n=nums.size()/2;for(auto e:nums){mp[e]++;}for(auto&e:mp){if(e.second==n){return e.first;}}return -1;}
};
题目链接:两个数组的交集
题目描述:
class Solution {
public:vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {unordered_set<int> s1;unordered_set<int> s2;for(auto e:nums1){s1.insert(e);}for(auto e:nums2){s2.insert(e);}vector<int> res;for(auto e:s1){if(s2.find(e)!=s2.end())res.push_back(e);}return res;}
};
题目链接:两个数组的交集2
题目描述:
class Solution {
public:vector<int> intersect(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {unordered_map<int,int> mp;vector<int> res; for(auto e:nums1){mp[e]++;}for(auto e:nums2){if(mp[e]!=0){res.push_back(e);mp[e]--;}}return res;}
};
2.哈希概念
顺序结构以及平衡树中,元素关键码与其存储位置之间没有对应的关系,因此在查找一个元素时,必须要经过关键码的多次比较。顺序查找时间复杂度为O(N),平衡树中为树的高度,即O( l o g 2 N log_2 N log2N),搜索的效率取决于搜索过程中元素的比较次数。
理想的搜索方法:可以不经过任何比较,一次直接从表中得到要搜索的元素。
如果构造一种存储结构,通过某种函数(hashFunc)使元素的存储位置与它的关键码之间能够建立一一映射的关系,那么在查找时通过该函数可以很快找到该元素
当向该结构中:
- 插入元素
根据待插入元素的关键码,以此函数计算出该元素的存储位置并按此位置进行存放 - 搜索元素
对元素的关键码进行同样的计算,把求得的函数值当做元素的存储位置,在结构中按此位置取元素比较,若关键码相等,则搜索成功
该方式即为哈希(散列)方法,哈希方法中使用的转换函数称为哈希(散列)函数,构造出来的结构称为哈希表(Hash Table)(或者称散列表)
例如:数据集合{1,7,6,4,5,9};
哈希函数设置为:hash(key) = key % capacity; capacity为存储元素底层空间总的大小
用该方法进行搜索不必进行多次关键码的比较,因此搜索的速度比较快
问题:按照上述哈希方式,向集合中插入元素44,会出现什么问题?
2.1哈希冲突
对于两个数据元素的关键字 k i k_i ki和 k j k_j kj(i != j),有 k i k_i ki != k j k_j kj,但有:Hash( k i k_i ki) == Hash( k j k_j kj),即:不同关键字通过相同哈希哈数计算出相同的哈希地址,该种现象称为哈希冲突或哈希碰撞
把具有不同关键码而具有相同哈希地址的数据元素称为同义词
2.2哈希函数
引起哈希冲突的一个原因可能是:哈希函数设计不够合理。
哈希函数设计原则:
- 哈希函数的定义域必须包括需要存储的全部关键码,而如果散列表允许有m个地址时,其值域必须在0到m-1之间
- 哈希函数计算出来的地址能均匀分布在整个空间中
- 哈希函数应该比较简单
-
直接定址法–(常用)
- 取关键字的某个线性函数为散列地址:Hash(Key)= A*Key + B
- 优点:简单、均匀
- 缺点:需要事先知道关键字的分布情况
- 使用场景:适合查找比较小且连续的情况
-
除留余数法–(常用)
设散列表中允许的地址数为m,取一个不大于m,但最接近或者等于m的质数p作为除数,
按照哈希函数:Hash(key) = key% p(p<=m)
,将关键码转换成哈希地址
2.3哈希冲突解决
解决哈希冲突两种常见的方法是:闭散列和开散列
闭散列:也叫开放定址法,当发生哈希冲突时,如果哈希表未被装满,说明在哈希表中必然还有空位置,那么可以把key存放到冲突位置中的“下一个” 空位置中去
2.3.1线性探测
线性探测:从发生冲突的位置开始,依次向后探测,直到寻找到下一个空位置为止
- 插入
-
- 通过哈希函数获取待插入元素在哈希表中的位置
-
- 如果该位置中没有元素则直接插入新元素,如果该位置中有元素发生哈希冲突,使用线性探测找到下一个空位置,插入新元素
-
- 删除
- 采用闭散列处理哈希冲突时,不能随便物理删除哈希表中已有的元素,若直接删除元素会影响其他元素的搜索。比如删除元素4,如果直接删除掉,44查找起来可能会受影响。因此线性探测采用标记的伪删除法来删除一个元素
代码实现:
首先设置每个位置的状态:
enum State
{Empty,Exist,Delete
};
Empty此位置空,Exist此位置已经有元素, Delete元素已经删除
enum State
{Empty,Exist,Delete
};template<class K,class V>
struct HashData
{pair<K, V> _kv;State _state;
};template<class K, class V>
class HashTable
{
public:bool Insert(const pair<K,V>& kv){size_t hashi = kv.first % _tables.size();while (_tables[hashi]._state == Exist){++hashi;hashi %= _tables.size();}_tables[hashi]._kv = kv;_tables[hashi]._state = Exist;++_n;}
private:vector<HashData<K, V>> _tables;size_t _n;//有效数据个数
};
hashi 是通过 kv.first % _tables.size() 计算出的初始索引,用于确定存储桶的位置。如果该位置已经被占用(状态为 Exist),则通过线性探测法找到下一个空位置
这里就有一个问题:如果存储满了,那么程序会陷入死循环,那么我们就需要进行扩容
负载因子越高,冲突率越高,效率就越低
负载因子越低,冲突率越低,效率就越高,但空间利用率就越低
这种关联式容器的扩容不仅仅是拷贝下来,还得考虑数据与模的大小的关系
所以,先进行扩容,再将原有的值重新映射
第一步优化:
template<class K,class V>
struct HashData
{pair<K, V> _kv;State _state=Empty;
};template<class K, class V>
class HashTable
{
public:HashTable(){_tables.resize(10);}bool Insert(const pair<K,V>& kv){if (_n * 10 / _tables.size() >= 7){}size_t hashi = kv.first % _tables.size();while (_tables[hashi]._state == Exist){++hashi;hashi %= _tables.size();}_tables[hashi]._kv = kv;_tables[hashi]._state = Exist;++_n;}
private:vector<HashData<K, V>> _tables;size_t _n=0;//有效数据个数
};
增加构造函数与缺省值,对于内置类型_state,我们设置它初始状态为Empty
bool Insert(const pair<K,V>& kv)
{if (Find(kv.first)) return false;if (_n * 10 / _tables.size() >= 7){/*size_t newsize = _tables.size() * 2;vector<HashData<K, V>> newtables(newsize);*///旧表重新计算负载到新表size_t newsize = _tables.size() * 2;HashTable<K, V> newHashTable;newHashTable._tables.resize(newsize);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){if (_tables[i]._state == Exist){newHashTable.Insert(_tables[i]._kv);}}*this = std::move(newHashTable);//_tables.swap(newHashTable._tables);}size_t hashi = kv.first % _tables.size();while (_tables[hashi]._state == Exist){++hashi;hashi %= _tables.size();}_tables[hashi]._kv = kv;_tables[hashi]._state = Exist;++_n;return true;
}
这里我们直接在函数里面构建一个新的哈希表,再if里面调用insert永远不会再进入第一个if判断,因为我这里的空间大小已经开好了,后面直接调用映射的部分,最后更新原哈希表即可
HashData<K, V>* Find(const K&key)
{size_t hashi = key % _tables.size();while (_tables[hashi]._state != Empty){if (_tables[hashi]._state==Exist&&_tables[hashi]._kv.first == key) return &_tables[hashi];++hashi;hashi %= _tables.size();}return nullptr;
}
bool Erase(const K& key)
{HashData<K, V>* ret = Find(key);if (ret == nullptr) return false;else{ret->_state = Delete;--_n;return true;}
}
这两个函数搭配使用,我第一个返回地址,第二个根据是否能找到的索引来进行修改,非常方便
线性探测优点:实现非常简单,
线性探测缺点:一旦发生哈希冲突,所有的冲突连在一起,容易产生数据“堆积”,即:不同关键码占据了可利用的空位置,使得寻找某关键码的位置需要许多次比较,导致搜索效率降低
这里还有一个问题:如果我插入的是K是string之类的,我该如何取模呢?
template<class K>
struct HashFunc
{size_t operator()(const K& key){return (size_t)key;}
};struct StringHashFunc
{size_t operator()(const string& key){size_t hash = 0;for (auto e : key){hash += e;}return hash;}
};template<class K, class V,class Hash=HashFunc<K>>
class HashTable
{——————————
默认的仿函数进行对数据的转换,比如负数,浮点型直接强转为size_t,对于string类我们特化一个仿函数,返回它的ascll值之和
Hash hs;
size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();
二次探测
线性探测的缺陷是产生冲突的数据堆积在一块,这与其找下一个空位置有关系,因为找空位置的方式就是挨着往后逐个去找,因此二次探测为了避免该问题,找下一个空位置的方法为: H i H_i Hi = ( H 0 H_0 H0 + i 2 i^2 i2 )% m, 或者: H i H_i Hi = ( H 0 H_0 H0 - i 2 i^2 i2 )% m。其中:i = 1,2,3…, H 0 H_0 H0是通过散列函数Hash(x)对元素的关键码 key 进行计算得到的位置,m是表的大小
2.3.2开散列
开散列法又叫链地址法(开链法),首先对关键码集合用散列函数计算散列地址,具有相同地址的关键码归于同一子集合,每一个子集合称为一个桶,各个桶中的元素通过一个单链表链接起来,各链表的头结点存储在哈希表中
开散列中每个桶中放的都是发生哈希冲突的元素
代码:
template<class K, class V>
struct HashNode
{pair<K, V> _kv;HashNode<K, V>* _next;
};template<class K, class V>
class HashTable
{
public:typedef HashNode<K, V> Node;HashTable()
{_tables.resize(10, nullptr);
}
private:vector<Node*> _tables;size_t _n=0;
};
插入函数依旧复用,这里用链表的头插
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{if (_n == _tables.size()){HashTable<K, V> newHT;newHT._tables.resize(_tables.size() * 2);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur) {newHT.Insert(cur->kv);cur = cur->_next;}}_tables.swap(newHT._tables);}size_t hashi = kv.first & _tables.size();Node* newnode = new Node(kv);//头插newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;++_n;return true;
}
这里有一个问题,我如果重新插入,那么原来的节点就需要手动去释放,非常麻烦,我们这里可以直接复用上面的节点
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{if (_n == _tables.size()){vector<Node*> newTables(_tables.size()*2,nullptr);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur){//头插到新表的位置Node* next = cur->_next;size_t hashi = cur->_kv.first % newTables.size();cur->_next = newTables[hashi];newTables[hashi] = cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}_tables.swap(newTables);}size_t hashi = kv.first & _tables.size();Node* newnode = new Node(kv);//头插newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;++_n;return true;
}
取出一个节点放到新的表中,每次取完一组后置空,最后交换
bool Erase(const K& key)
{size_t hashi = key % _tables.size();Node* cur = _tables[hashi];Node* pre = nullptr;while (cur){if (cur->_kv.first == key){if (pre == nullptr){_tables[hashi]=cur->_next;}else{pre->_next = cur->_next;}delete cur;}else{prev = cur;cur = cur->_next;}}
}
补充仿函数:
template<class K>
struct HashFunc
{size_t operator()(const K& key){return (size_t)key;}
};struct StringHashFunc
{size_t operator()(const string& key){size_t ch = 0;for (auto e : key){ch += e ;}return ch;}
};
3. 封装
template<class T>
struct HashNode
{T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data),_next(nullptr){}
};template<class K, class T,class Hash =HashFunc<K>>
class HashTable
{
public:typedef HashNode<T> Node;
Node设置一个模版参数T,对于unordered_set 传入K,对于unordered_map 传入pair<K,V>,跟之前set,map封装类似,再增加一个KeyofT的仿函数
template<class K,class V>
class Unordered_map
{
public:struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<K, V>& kv){return kv.first;}};
private:HashTable<K, pair<K, V>,MapKeyOfT> _ht;
};
template<class K>
class Unordered_set
{
public:struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};
private:HashTable<K, K,SetKeyOfT> _ht;
};
迭代器封装
template<class K,class T,class KeyofT,class Hash>
class _HTIterator
{typedef<HashNode<T>> Node;Node* _node;HashTable<K, V, KeyofT, Hash>* _pht;operator++(){if (_node->next){_node = node->next;}else{}}
};
库里面直接将哈希表的地址穿过来以便迭代器来遍历
找到第一个节点,返回iterator,构造函数返回当前节点指针和哈希表,this就派上用场了
Self& operator++()
{if (_node->next){//当前桶没走完_node = node->next;}else{//找不为空的桶KeyofT kot;Hash hs;size_t i = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_tables.size();//仿函数叠加++i;for (; i < _pht->_tables.size(); i++){if (_pht->_tables[i]) break;}if (i == _pht->_tables.size()) _node = nullptr;else _node = _pht->_tables[i];}return *this;
}
完整代码:
#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;template<class K>
struct HashFunc
{size_t operator()(const K& key){return (size_t)key;}
};struct StringHashFunc
{size_t operator()(const string& key){size_t ch = 0;for (auto e : key){ch += e ;}return ch;}
};template<class T>
struct HashNode
{T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data),_next(nullptr){}
};
template<class K, class T, class KeyofT, class Hash>//前置声明
class HashTable;template<class K,class T,class KeyofT,class Hash>
class _HTIterator
{
public:typedef HashNode<T> Node;typedef _HTIterator<K, T, KeyofT, Hash> Self;Node* _node;HashTable<K, T, KeyofT, Hash>* _pht;_HTIterator(Node* node, HashTable<K, T, KeyofT, Hash>* pht):_node(node),_pht(pht){}Self& operator++(){if (_node->_next){//当前桶没走完_node = _node->_next;}else{//找不为空的桶KeyofT kot;Hash hs;size_t i = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_tables.size();//仿函数叠加++i;for (; i < _pht->_tables.size(); i++){if (_pht->_tables[i]) break;}if (i == _pht->_tables.size()) _node = nullptr;else _node = _pht->_tables[i];}return *this;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}T& operator*(){return _node->_data;}
};
template<class K, class T, class KeyofT, class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable
{
public:template<class K, class T, class KeyofT, class Hash>friend class _HTIterator;typedef _HTIterator<K, T, KeyofT, Hash> iterator;iterator begin(){for (size_t i = 0; i < _tables.size();i++){Node* cur = _tables[i];if (cur){return iterator(cur, this);}}}iterator end(){return iterator(nullptr, this);}typedef HashNode<T> Node;HashTable(){_tables.resize(10, nullptr);}~HashTable(){for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;delete cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}}//bool Insert(const pair<K, V>& kv)//{// if (_n == _tables.size())// {// HashTable<K, V> newHT;// newHT._tables.resize(_tables.size() * 2);// for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)// {// Node* cur = _tables[i];// while (cur) // {// newHT.Insert(cur->kv);// cur = cur->_next;// }// }// _tables.swap(newHT._tables);// }// size_t hashi = kv.first & _tables.size();// Node* newnode = new Node(kv);// //头插// newnode->_next = _tables[hashi];// _tables[hashi] = newnode;// ++_n;// return true;//}bool Insert(const T& data){HashFunc<K> hs;KeyofT kot;if (Find(kot(data))) return false;if (_n == _tables.size()){vector<Node*> newTables(_tables.size()*2,nullptr);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur){//头插到新表的位置Node* next = cur->_next;size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newTables.size();cur->_next = newTables[hashi];newTables[hashi] = cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}_tables.swap(newTables);}size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();Node* newnode = new Node(data);//头插newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;++_n;return true;}bool Erase(const K& key){KeyofT kot; // KeyofT 实例化HashFunc<K> hs;size_t hashi = hs(key) % _tables.size();Node* cur = _tables[hashi];Node* pre = nullptr;while (cur){// 使用 kot(cur->_data) 来获取当前节点的数据的键if (kot(cur->_data) == key){if (pre == nullptr){_tables[hashi] = cur->_next;}else{pre->_next = cur->_next;}delete cur;--_n;return true;}else{pre = cur;cur = cur->_next;}}return false;}Node* Find(const K& key){KeyofT kot;HashFunc<K> hs;size_t hashi = hs(key) % _tables.size();Node* cur = _tables[hashi];while (cur){if (kot(cur->_data) == key) return cur;cur = cur->_next;}return nullptr;}
private:vector<Node*> _tables;size_t _n=0;
};
#pragma once
#include"HashBucket.h"template<class K>
class Unordered_set
{
public:struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};typedef typename HashTable<K, K, SetKeyOfT>::iterator iterator;iterator begin(){return _ht.begin();}iterator end(){return _ht.end();}bool insert(const K& key){return _ht.Insert(key);}
private:HashTable<K, K,SetKeyOfT> _ht;
};void testset()
{Unordered_set<int> s;s.insert(31);s.insert(11);s.insert(5);s.insert(15);s.insert(20);Unordered_set<int>::iterator it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}
}