c++进阶——哈希表

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嗨喽大家好呀，今天阿鑫给大家带来的是c++进阶——哈希表，好久不见啦，下面让我们进入本节博客的内容吧！

c++进阶——哈希表

  1. 枚举的介绍
  2. unordered系列的底层结构
  3. 哈希表的改造

哈希是一种思想(映射)，哈希表(值和存储位置建立的映射关系)是一种数据结构。

1.枚举

某些具有相同类别的变量没有支持的类型，用枚举来自定义一组命名的整数常量（0，1，2）来解决这一问题
与结构体的具有多个成员不同，每个枚举类型的变量都只能选择一个成员变量，但都属于自定义类型

注意：成员只能是枚举常量，这些常量在定义时会被赋予整数值（默认为从0开始的递增整数，但可以显式指定）。是一组整数值，但是有名字，提高了代码的可读性（0，1，2三个数可以表示三种颜色）
简单说：三个名字表示三种情况，但是这三个名字底层都是整数值

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#include <iostream>  // 定义一个枚举类型Weekday，用于表示星期几  
enum Weekday {  Monday,  Tuesday,  Wednesday,  Thursday,  Friday,  Saturday,  Sunday  
};  int main() {  // 声明一个Weekday类型的变量today，并将其初始化为Wednesday  Weekday today = Wednesday;  // 使用switch语句根据today的值执行不同的操作  switch (today) {  case Monday:  std::cout << "今天是星期一" << std::endl;  break;  case Tuesday:  std::cout << "今天是星期二" << std::endl;  break;  case Wednesday:  std::cout << "今天是星期三" << std::endl;  break;  case Thursday:  std::cout << "今天是星期四" << std::endl;  break;  case Friday:  std::cout << "今天是星期五" << std::endl;  break;  case Saturday:  std::cout << "今天是星期六" << std::endl;  break;  case Sunday:  std::cout << "今天是星期日" << std::endl;  break;  }  return 0;  
}

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2. unordered系列的底层结构

unordered系列的关联式容器之所以效率比较高，是因为其底层使用了哈希结构。
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2.1常见的哈希函数

1.直接定址法（用key的值映射一个绝对位置或相对位置）
优点：快，没有冲突
缺点：只适合范围集中
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2.除留余数法（key模表的大小后,都可以映射到表中一个位置）
hashi = key%N（N是表的大小）
哈希冲突：不同的值取模后的值，映射到了表中的相同位置

2.2解决哈希冲突的方法

  1. 闭散列：开放地址法->去其他位置(规则)找一个空的位置在这里插入图片描述

  2. 开散列：哈希桶

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#pragma once
#include<vector>
enum State//状态标记
{EXIST,EMPTY,EDLETE
};
template<class K,class T>
struct HashData
{pair<K, V> _kv;State _state = EMPTY;
};template<class K, class V>
class HashTable
{
private:vector<HashData<K, V>> _tables;size_t _n =0//表中存储数据个数
};

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扩容时进行了Insert的复用

bool Insert(const pair<K, V>& kv){如果key已经存在则插入失败if (Find(kv.first))return false;// 扩容if (_n * 10 / _tables.size() >= 7){//vector<HashData<K, V>> newTables(_tables.size() * 2); 遍历旧表， 将所有数据映射到新表 ...//_tables.swap(newTables);HashTable<K, V, Hash> newHT;newHT._tables.resize(_tables.size() * 2);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){if (_tables[i]._state == EXIST){newHT.Insert(_tables[i]._kv);}}_tables.swap(newHT._tables);}Hash hs;size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();while (_tables[hashi]._state == EXIST){++hashi;hashi %= _tables.size();}_tables[hashi]._kv = kv;_tables[hashi]._state = EXIST;++_n;return true;}

由于在实现Erase时，只是单纯将某个位置的状态标记置空，并没有抹除数据，所以在Find时，需要同时满足状态标记为存在以及key值相等才能返回true。

HashData<K, V>* Find(const K& key){Hash hs;size_t hashi = hs(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;return true;}}

哈希表需要支持类型之间的相互转换，因此需要提供一个哈希函数
当仿函数实现的功能相同，但是接受对象的类型不同时，就需要实现仿函数的特化

  1. 可以和整形之间相互转化
template<class K>
struct HashFunc
{size_t operator()(const K& key){return (size_t)key;}
};
  1. 类似string类型不能和整形之间相互转换，需要支持一个特化的HashFunc
template<>
struct HashFunc<string>
{size_t operator()(const string& key){size_t hash = 0;for (auto e : key){hash *= 31;hash += e;}return hash;}
}

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namespace hash_bucket
{template<class K, class V>struct HashNode{pair<K, V> _kv;HashNode<K, V>* _next;HashNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv),_next(nullptr){}};template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>class HashTable{typedef HashNode<K, V> Node;public:HashTable(){_tables.resize(10, nullptr);}private:vector<Node*> _tables;  // 指针数组size_t _n = 0;			// 表中存储数据个数};

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和闭散列直接插入(先new节点，再delete节点)不同，节点的重复利用可以节省时间

bool Insert(const pair<K, V>& kv){Hash hs;size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();// 负载因子==1扩容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);*/vector<Node*> newtables(_tables.size() * 2, nullptr);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;// 旧表中节点，挪动新表重新映射的位置size_t hashi = hs(cur->_kv.first) % newtables.size();// 头插到新表cur->_next = newtables[hashi];newtables[hashi] = cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}_tables.swap(newtables);}// 头插Node* newnode = new Node(kv);newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;++_n;return true;}

节点的删除分为头节点和其他节点
头节点：指针数组中的指针指向头节点的下一个节点
其余节点：当前节点的前一个节点指向当前节点的下一个节点，释放当前节点
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bool Erase(const K& key)
{Hash hs;size_t hashi = hs(key) % _tables.size();Node* prev = nullptr;Node* cur = _tables[hashi];while (cur){if (cur->_kv.first == key){if (prev == nullptr){_tables[hashi] = cur->_next;}else//此时说明销毁节点不是头节点{prev->_next = cur->_next;}delete cur;--_n;return true;}prev = cur;cur = cur->_next;}return false;
}

下面给出一份完整的闭散列解决哈希冲突的实现代码

namespace hash_bucket
{template<class K, class V>struct HashNode{pair<K, V> _kv;HashNode<K, V>* _next;HashNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv),_next(nullptr){}};template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>class HashTable{typedef HashNode<K, V> Node;public:HashTable(){_tables.resize(10, nullptr);}~HashTable(){// 依次把每个桶释放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){Hash hs;size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();// 负载因子==1扩容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);*/vector<Node*> newtables(_tables.size() * 2, nullptr);for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++){Node* cur = _tables[i];while (cur){Node* next = cur->_next;// 旧表中节点，挪动新表重新映射的位置size_t hashi = hs(cur->_kv.first) % newtables.size();// 头插到新表cur->_next = newtables[hashi];newtables[hashi] = cur;cur = next;}_tables[i] = nullptr;}_tables.swap(newtables);}// 头插Node* newnode = new Node(kv);newnode->_next = _tables[hashi];_tables[hashi] = newnode;++_n;return true;}Node* Find(const K& key){Hash hs;size_t hashi = hs(key) % _tables.size();Node* cur = _tables[hashi];while (cur){if (cur->_kv.first == key){return cur;}cur = cur->_next;}return nullptr;}bool Erase(const K& key){Hash hs;size_t hashi = hs(key) % _tables .size();Node* prev = nullptr;Node* cur = _tables[hashi];while (cur){if (cur->_kv.first == key){if (prev == nullptr){_tables[hashi] = cur->_next;}else{prev->_next = cur->_next;}delete cur;--_n;return true;}prev = cur;cur = cur->_next;}return false;}private://vector<list<pair<K, V>>> _tables;  // 指针数组//struct Bucket//{//	list<pair<K, V>> _lt;//	map<K, V> _m;//	size_t _bucketsize;   // >8 map  <=8 list//};//vector<Bucket> _tables;vector<Node*> _tables;  // 指针数组size_t _n = 0;			// 表中存储数据个数};

好啦，今天我们的学习就到这里哦，本节课内容还是有点难度的，下节课我们将学习如何将哈希表用于实现unordered系列，希望大家能够好好吸收理解，期待我们的下一次再见

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