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C++——map和set

17 人参与  2024年05月27日 10:03  分类 : 《资源分享》  评论

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前言:这篇文章将继续分享C++的两大新容器——map和set。

我们前边所分享的vector、list等容器,它们的底层是顺序表,链表等序列式容器,它们的作用是单纯的存储数据,数据与数据之间几乎毫无关联。而接下来要分享的map和set,则是以搜索二叉树为底层的关联式容器不仅仅可以存储数据,还可以用于快速查找数据,存储的数据与数据之间通常有很强的关联性。map和set的底层为搜索二叉树(红黑树)

目录

一.map和set理解

1.set

 2.map 

二.map和set实现

1.基本框架

2.迭代器

3.map重载[]

 总结


一.map和set理解

1.set

set从简单的角度理解,就是一颗二叉搜索树每个节点存放一个元素,并且不允许有相同元素的节点出现,被要求的是,节点的值不能被修改,但可以增加或删除


 2.map 

而map则是在set的基础上,将存储数据更替为键值对pair<K,V>,其中K一般是不能更改的,而V是能够更改的


二.map和set实现

由于map和set的底层都是红黑树,所以这里我们分享一种map和set共用一份红黑树代码的实现方式


1.基本框架

首先我们要知道,map和set存储的数据类型是有区别的,前者为pair<K,V>键值对,后者为单一的数据类型K,所以对于红黑树的数据类型,我们需要做出更改:

template<class T>struct RBTreeNode{RBTreeNode<T>* _left;RBTreeNode<T>* _right;RBTreeNode<T>* _parent;T _data;Colour _col;RBTreeNode(const T& data):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _data(data), _col(RED){}};

能够看出,我们直接将数据类型改为模版T,用来替换pair<K,V>和K,数据直接用data代替。 

当进行插入操作时,我们又会面临一些问题:

如果是set,当进行比较操作时直接比较K,无妨。但是如果是map,比较时则会比较pair,虽然pair类型可以进行比较,但是其底层的比较方式却与我们想要的结果不同。

为了让map也进行key的比较,我们引入仿函数,通过仿函数,来获取到map中pair的key:

struct MapKeyOfT{const K& operator(const pair<K,V>& kv){return kv.first;}};struct SetKeyOfT{const K& operator(const K& key){return key;}};

为了帮助map完成操作,set也同样需要一个仿函数

由于仿函数需要创建对象使用,所以我们还需引入新的模版KeyOfT

template<class K, class T,class KeyOfT>class RBTree{typedef RBTreeNode<T> Node;public://插入bool Insert(const T& data){if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;//根给黑色return 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 false;}}

那么为什么我们这里还要保留模版参数K呢??

这是因为当使用find函数和erase等函数时,无论是map还是set,我们只需要传入K即可

 进行数据比较时,只需调用仿函数,即可完成key的比较

到此,两个容器的基本框架才算完成:

#include"RBTree.h"namespace MyMapSet{template<class K>class set{struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};public:bool Insert(const K& key){return _t.Insert(key);}private:RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;};}
#include"RBTree.h"namespace MyMapSet{template<class K,class V>class map{struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<K,V>& kv){return kv.first;}};public:bool Insert(const pair<K, V>& kv){return _t.Insert(kv);}private:RBTree<K, pair<K,V>, MapKeyOfT> _t;};}

2.迭代器

那么map和set只要是C++的容器,就一定会存在迭代器,下面我们直接通过代码来分析迭代器的常用功能该如何实现。

template<class T,class Ref,class Ptr>struct __RBTreeIterator{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef __RBTreeIterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;__RBTreeIterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}};

创建一个迭代器类能更好的帮助我们在红黑树类中实现迭代器功能

这些功能容易理解,这里就不做过多解释。

下面我们来分析关键功能++

 首先红黑树是二叉搜索树,其数据本质上是按升序的顺序排序,所以当使用++时,我们得到的一定是按升序的下一个数据

而我们已经知道,红黑树的中序遍历结果即为升序,所以在一棵同时包含父子节点的树中,其三个节点的大小顺序为:左子节点 < 根节点 < 右子节点

所以如果该节点为左子节点,那么++之后的节点就是其父节点如果该节点为父节点,那么++之后的节点则会是其右子树的最小节点。而如果该节点为右子节点,那么就说明其为该棵同时包含父子节点的树中的最大节点,此时就要循环往上遍历直至循环至根节点,说明此时已经为整棵树的最大节点,再++即为空。

或者循环过程中cur节点为父节点的子节点,再++则为父节点。

Self& operator++(){if (_node->_right)//有右子树,去找右子树的最左子节点{Node* leftMin = _node->_right;while (leftMin && leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}_node = leftMin;}else//没有右子树,则找到其父节点{Node* cur = _node;Node* parent = cur->_parent;while (parent && cur == parent->_right)//如果该节点为父节点的右子树,则向上循环{cur = parent;parent = parent->_parent;}_node = parent;//直至循环至根节点,或者循环过程中cur节点为父节点的子节点}return *this;}

完成迭代器类的实现之后,紧接着就是将其封装在红黑树类中:

template<class K, class T,class KeyOfT>class RBTree{typedef RBTreeNode<T> Node;public:typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;Iterator Begin(){Node* leftMin = _root;while (leftMin && leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}return Iterator(leftMin);}Iterator End(){return Iterator(nullptr);}

 而迭代器的begin,即为整棵树的最左节点,end即为空

最后再将其分别封装到map和set中,即可完成迭代器的实现:

set:

public:typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::Iterator iterator;iterator begin(){return _t.Begin();}iterator end(){return _t.End();}

map:

public:typedef typename RBTree<K, pair<K, V>, MapKeyOfT>::Iterator iterator;iterator begin(){return _t.Begin();}iterator end(){return _t.End();}

 测试如下:

最后还有一个值得关注的问题,就是set和map的key都是不能被修改的,但是我们上边的代码并不能实现:

这是不合理的,而解决的方法为:

map:       

RBTree<K, pair<const K,V>, MapKeyOfT> _t;

typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::Iterator iterator;
set:        

RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::Iterator iterator;

在封装时即将key定义为const类型,便可保证其不能被修改。 


3.map重载[]

map不同于set的另外一点就在于其重载了运算符[],可以使得map通过key来直接得到其value

当key存在时,就返回其对应的value,不存在则会新插入该key,并返回其迭代器

所以想要重载[],我们还需对插入函数进行改进

pair<Iterator, bool> Insert(const T& data){if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;//根给黑色return make_pair(Iterator(_root),true);//树为空,创建并返回迭代器}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);//节点存在,返回}}        cur = new Node(data);Node* newnode = cur;//插入后cur会变,所以提前记录cur->_col = RED;//新增节点给红色        //此处省略插入步骤       _root->_col = BLACK;return make_pair(Iterator(newnode), true);//树不为空,但不存在,返回新节点}

要将插入函数的返回值改为pair类型,同时包含Iterator和bool

此时我们便可在map中重载[]:

V& operator[](const K& key){pair<iterator, bool> ret = _t.Insert(make_pair(key,V()));return ret.first->second;}

定义ret去接收返回值,其中ret.first得到的是迭代器,而迭代器中也包含data的pair类型,所以再取second即可返回value。 

测试如下:


 总结 

关于map和set就分享这么多,喜欢本篇文章记得一键三连,我们下期再见!


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