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詳細解說(shuō)STL hash_map系列

0 為什么需要hash_map

用過(guò)map吧?map提供一個(gè)很常用的功能,那就是提供key-value的存儲和查找功能。例如,我要記錄一個(gè)人名和相應的存儲,而且隨時(shí)增加,要快速查找和修改:

岳不群-華山派掌門(mén)人,人稱(chēng)君子劍張三豐-武當掌門(mén)人,太極拳創(chuàng  )始人東方不?。谝桓呤?,葵花寶典...
這些信息如果保存下來(lái)并不復雜,但是找起來(lái)比較麻煩。例如我要找"張三豐"的信息,最傻的方法就是取得所有的記錄,然后按照名字一個(gè)一個(gè)比較。如果要速度快,就需要把這些記錄按照字母順序排列,然后按照二分法查找。但是增加記錄的時(shí)候同時(shí)需要保持記錄有序,因此需要插入排序??紤]到效率,這就需要用到二叉樹(shù)。講下去會(huì )沒(méi)完沒(méi)了,如果你使用STL 的map容器,你可以非常方便的實(shí)現這個(gè)功能,而不用關(guān)心其細節。關(guān)于map的數據結構細節,感興趣的朋友可以參看學(xué)習STL map, STL set之數據結構基礎??纯磎ap的實(shí)現:
#include <map>#include <string>using namespace std;...map<string, string> namemap;//增加。。。namemap["岳不群"]="華山派掌門(mén)人,人稱(chēng)君子劍";namemap["張三豐"]="武當掌門(mén)人,太極拳創(chuàng  )始人";namemap["東方不敗"]="第一高手,葵花寶典";...//查找。。if(namemap.find("岳不群") != namemap.end()){        ...}
不覺(jué)得用起來(lái)很easy嗎?而且效率很高,100萬(wàn)條記錄,最多也只要20次的string.compare的比較,就能找到你要找的記錄;200萬(wàn)條記錄事,也只要用21次的比較。

速度永遠都滿(mǎn)足不了現實(shí)的需求。如果有100萬(wàn)條記錄,我需要頻繁進(jìn)行搜索時(shí),20次比較也會(huì )成為瓶頸,要是能降到一次或者兩次比較是否有可能?而且當記錄數到200萬(wàn)的時(shí)候也是一次或者兩次的比較,是否有可能?而且還需要和map一樣的方便使用。

答案是肯定的。這時(shí)你需要has_map. 雖然hash_map目前并沒(méi)有納入C++ 標準模板庫中,但幾乎每個(gè)版本的STL都提供了相應的實(shí)現。而且應用十分廣泛。在正式使用hash_map之前,先看看hash_map的原理。

1 數據結構:hash_map原理

這是一節讓你深入理解hash_map的介紹,如果你只是想囫圇吞棗,不想理解其原理,你倒是可以略過(guò)這一節,但我還是建議你看看,多了解一些沒(méi)有壞處。

hash_map基于hash table(哈希表)。 哈希表最大的優(yōu)點(diǎn),就是把數據的存儲和查找消耗的時(shí)間大大降低,幾乎可以看成是常數時(shí)間;而代價(jià)僅僅是消耗比較多的內存。然而在當前可利用內存越來(lái)越多的情況下,用空間換時(shí)間的做法是值得的。另外,編碼比較容易也是它的特點(diǎn)之一。

其基本原理是:使用一個(gè)下標范圍比較大的數組來(lái)存儲元素??梢栽O計一個(gè)函數(哈希函數,也叫做散列函數),使得每個(gè)元素的關(guān)鍵字都與一個(gè)函數值(即數組下標,hash值)相對應,于是用這個(gè)數組單元來(lái)存儲這個(gè)元素;也可以簡(jiǎn)單的理解為,按照關(guān)鍵字為每一個(gè)元素“分類(lèi)”,然后將這個(gè)元素存儲在相應“類(lèi)”所對應的地方,稱(chēng)為桶。

但是,不能夠保證每個(gè)元素的關(guān)鍵字與函數值是一一對應的,因此極有可能出現對于不同的元素,卻計算出了相同的函數值,這樣就產(chǎn)生了“沖突”,換句話(huà)說(shuō),就是把不同的元素分在了相同的“類(lèi)”之中。 總的來(lái)說(shuō),“直接定址”與“解決沖突”是哈希表的兩大特點(diǎn)。

hash_map,首先分配一大片內存,形成許多桶。是利用hash函數,對key進(jìn)行映射到不同區域(桶)進(jìn)行保存。其插入過(guò)程是:

  1. 得到key
  2. 通過(guò)hash函數得到hash值
  3. 得到桶號(一般都為hash值對桶數求模)
  4. 存放key和value在桶內。
其取值過(guò)程是:
  1. 得到key
  2. 通過(guò)hash函數得到hash值
  3. 得到桶號(一般都為hash值對桶數求模)
  4. 比較桶的內部元素是否與key相等,若都不相等,則沒(méi)有找到。
  5. 取出相等的記錄的value。
hash_map中直接地址用hash函數生成,解決沖突,用比較函數解決。這里可以看出,如果每個(gè)桶內部只有一個(gè)元素,那么查找的時(shí)候只有一次比較。當許多桶內沒(méi)有值時(shí),許多查詢(xún)就會(huì )更快了(指查不到的時(shí)候).

由此可見(jiàn),要實(shí)現哈希表, 和用戶(hù)相關(guān)的是:hash函數和比較函數。這兩個(gè)參數剛好是我們在使用hash_map時(shí)需要指定的參數。

2 hash_map 使用

2.1 一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例

不要著(zhù)急如何把"岳不群"用hash_map表示,我們先看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:隨機給你一個(gè)ID號和ID號相應的信息,ID號的范圍是1~2的31次方。如何快速保存查找。
#include <hash_map>#include <string>using namespace std;int main(){        hash_map<int, string> mymap;        mymap[9527]="唐伯虎點(diǎn)秋香";        mymap[1000000]="百萬(wàn)富翁的生活";        mymap[10000]="白領(lǐng)的工資底線(xiàn)";        ...        if(mymap.find(10000) != mymap.end()){                ...        }
夠簡(jiǎn)單,和map使用方法一樣。這時(shí)你或許會(huì )問(wèn)?hash函數和比較函數呢?不是要指定么?你說(shuō)對了,但是在你沒(méi)有指定hash函數和比較函數的時(shí)候,你會(huì )有一個(gè)缺省的函數,看看hash_map的聲明,你會(huì )更加明白。下面是SGI STL的聲明:
template <class _Key, class _Tp, class _HashFcn = hash<_Key>,class _EqualKey = equal_to<_Key>,class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >class hash_map{        ...}
也就是說(shuō),在上例中,有以下等同關(guān)系:
...hash_map<int, string> mymap;//等同于:hash_map<int, string, hash<int>, equal_to<int> > mymap;
Alloc我們就不要取關(guān)注太多了(希望深入了解Allocator的朋友可以參看標準庫 STL :Allocator能做什么)

2.2 hash_map 的hash函數

hash< int>到底是什么樣子?看看源碼:
struct hash<int> {        size_t operator()(int __x) const { return __x; }};
原來(lái)是個(gè)函數對象。在SGI STL中,提供了以下hash函數:
struct hash<char*>struct hash<const char*>struct hash<char> struct hash<unsigned char> struct hash<signed char>struct hash<short>struct hash<unsigned short> struct hash<int> struct hash<unsigned int>struct hash<long> struct hash<unsigned long> 
也就是說(shuō),如果你的key使用的是以上類(lèi)型中的一種,你都可以使用缺省的hash函數。當然你自己也可以定義自己的hash函數。對于自定義變量,你只能如此,例如對于string,就必須自定義hash函數。例如:
struct str_hash{        size_t operator()(const string& str) const        {                unsigned long __h = 0;                for (size_t i = 0 ; i < str.size() ; i ++)                __h = 5*__h + str[i];                return size_t(__h);        }};//如果你希望利用系統定義的字符串hash函數,你可以這樣寫(xiě):struct str_hash{        size_t operator()(const string& str) const        {                return return __stl_hash_string(str.c_str());        }};
在聲明自己的哈希函數時(shí)要注意以下幾點(diǎn):
  1. 使用struct,然后重載operator().
  2. 返回是size_t
  3. 參數是你要hash的key的類(lèi)型。
  4. 函數是const類(lèi)型的。
如果這些比較難記,最簡(jiǎn)單的方法就是照貓畫(huà)虎,找一個(gè)函數改改就是了。

現在可以對開(kāi)頭的"岳不群"進(jìn)行哈?;?

. 直接替換成下面的聲明即可:

map<string, string> namemap; //改為:hash_map<string, string, str_hash> namemap;
其他用法都不用邊。當然不要忘了吧str_hash的聲明以及頭文件改為hash_map。

你或許會(huì )問(wèn):比較函數呢?別著(zhù)急,這里就開(kāi)始介紹hash_map中的比較函數。

2.3 hash_map 的比較函數

在map中的比較函數,需要提供less函數。如果沒(méi)有提供,缺省的也是less< Key> 。在hash_map中,要比較桶內的數據和key是否相等,因此需要的是是否等于的函數:equal_to< Key> 。先看看equal_to的源碼:
//本代碼可以從SGI STL//先看看binary_function 函數聲明,其實(shí)只是定義一些類(lèi)型而已。template <class _Arg1, class _Arg2, class _Result>struct binary_function {        typedef _Arg1 first_argument_type;        typedef _Arg2 second_argument_type;        typedef _Result result_type;};//看看equal_to的定義:template <class _Tp>struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>{        bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }};
如果你使用一個(gè)自定義的數據類(lèi)型,如struct mystruct, 或者const char* 的字符串,如何使用比較函數?使用比較函數,有兩種方法. 第一種是:重載==操作符,利用equal_to;看看下面的例子:
struct mystruct{        int iID;        int  len;        bool operator==(const mystruct & my) const{                return (iID==my.iID) && (len==my.len) ;        }};  
這樣,就可以使用equal_to< mystruct>作為比較函數了。另一種方法就是使用函數對象。自定義一個(gè)比較函數體:
struct compare_str{        bool operator()(const char* p1, const char*p2) const{                return strcmp(p1,p2)==0;        }};  
有了compare_str,就可以使用hash_map了。
typedef hash_map<const char*, string, hash<const char*>, compare_str> StrIntMap;StrIntMap namemap;namemap["岳不群"]="華山派掌門(mén)人,人稱(chēng)君子劍";namemap["張三豐"]="武當掌門(mén)人,太極拳創(chuàng  )始人";namemap["東方不敗"]="第一高手,葵花寶典";

2.4 hash_map 函數

hash_map的函數和map的函數差不多。具體函數的參數和解釋?zhuān)垍⒖矗?a target="_top">STL 編程手冊:Hash_map,這里主要介紹幾個(gè)常用函數。
  1. hash_map(size_type n) 如果講究效率,這個(gè)參數是必須要設置的。n 主要用來(lái)設置hash_map 容器中hash桶的個(gè)數。桶個(gè)數越多,hash函數發(fā)生沖突的概率就越小,重新申請內存的概率就越小。n越大,效率越高,但是內存消耗也越大。
  2. const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找,輸入為鍵值,返回為迭代器。
  3. data_type& operator[](const key_type& k) . 這是我最常用的一個(gè)函數。因為其特別方便,可像使用數組一樣使用。不過(guò)需要注意的是,當你使用[key ]操作符時(shí),如果容器中沒(méi)有key元素,這就相當于自動(dòng)增加了一個(gè)key元素。因此當你只是想知道容器中是否有key元素時(shí),你可以使用find。如果你希望插入該元素時(shí),你可以直接使用[]操作符。
  4. insert 函數。在容器中不包含key值時(shí),insert函數和[]操作符的功能差不多。但是當容器中元素越來(lái)越多,每個(gè)桶中的元素會(huì )增加,為了保證效率,hash_map會(huì )自動(dòng)申請更大的內存,以生成更多的桶。因此在insert以后,以前的iterator有可能是不可用的。
  5. erase 函數。在insert的過(guò)程中,當每個(gè)桶的元素太多時(shí),hash_map可能會(huì )自動(dòng)擴充容器的內存。但在sgi stl中是erase并不自動(dòng)回收內存。因此你調用erase后,其他元素的iterator還是可用的。

3 相關(guān)hash容器

hash 容器除了hash_map之外,還有hash_set, hash_multimap, has_multiset, 這些容器使用起來(lái)和set, multimap, multiset的區別與hash_map和map的區別一樣,我想不需要我一一細說(shuō)了吧。

4 其他

這里列幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題,應該對你理解和使用hash_map比較有幫助。

4.1 hash_map和map的區別在哪里?

  • 構造函數。hash_map需要hash函數,等于函數;map只需要比較函數(小于函數).
  • 存儲結構。hash_map采用hash表存儲,map一般采用紅黑樹(shù)(RB Tree)實(shí)現。因此其memory數據結構是不一樣的。

4.2 什么時(shí)候需要用hash_map,什么時(shí)候需要用map?

總體來(lái)說(shuō),hash_map 查找速度會(huì )比map快,而且查找速度基本和數據數據量大小,屬于常數級別;而map的查找速度是log(n)級別。并不一定常數就比log(n)小,hash還有hash函數的耗時(shí),明白了吧,如果你考慮效率,特別是在元素達到一定數量級時(shí),考慮考慮hash_map。但若你對內存使用特別嚴格,希望程序盡可能少消耗內存,那么一定要小心,hash_map可能會(huì )讓你陷入尷尬,特別是當你的hash_map對象特別多時(shí),你就更無(wú)法控制了,而且hash_map的構造速度較慢。

現在知道如何選擇了嗎?權衡三個(gè)因素: 查找速度, 數據量, 內存使用。

這里還有個(gè)關(guān)于hash_map和map的小故事,看看:http://dev.csdn.net/Develop/article/14/14019.shtm

4.3 如何在hash_map中加入自己定義的類(lèi)型?

你只要做兩件事, 定義hash函數,定義等于比較函數。下面的代碼是一個(gè)例子:
-bash-2.05b$ cat my.cpp#include <hash_map>#include <string>#include <iostream>using namespace std;//define the classclass ClassA{        public:        ClassA(int a):c_a(a){}        int getvalue()const { return c_a;}        void setvalue(int a){c_a;}        private:        int c_a;};//1 define the hash functionstruct hash_A{        size_t operator()(const class ClassA & A)const{                //  return  hash<int>(classA.getvalue());                return A.getvalue();        }};//2 define the equal functionstruct equal_A{        bool operator()(const class ClassA & a1, const class ClassA & a2)const{                return  a1.getvalue() == a2.getvalue();        }};int main(){        hash_map<ClassA, string, hash_A, equal_A> hmap;        ClassA a1(12);        hmap[a1]="I am 12";        ClassA a2(198877);        hmap[a2]="I am 198877";                cout<<hmap[a1]<<endl;        cout<<hmap[a2]<<endl;        return 0;}-bash-2.05b$ make myc++  -O -pipe -march=pentiumpro  my.cpp  -o my-bash-2.05b$ ./myI am 12I am 198877

typedef map<Key, Value> KeyMap;
當你希望使用hash_map來(lái)替換的時(shí)候,只需要修改: 其他的基本不變。當然,你需要注意是否有Key類(lèi)型的hash函數和比較函數。 

4.5為什么hash_map不是標準的?

具體為什么不是標準的,我也不清楚,有個(gè)解釋說(shuō)在STL加入標準C++之時(shí),hash_map系列當時(shí)還沒(méi)有完全實(shí)現,以后應該會(huì )成為標準。如果誰(shuí)知道更合理的解釋?zhuān)蚕M嬖V我。但我想表達的是,正是因為hash_map不是標準的,所以許多平臺上安裝了g++編譯器,不一定有hash_map的實(shí)現。我就遇到了這樣的例子。因此在使用這些非標準庫的時(shí)候,一定要事先測試。另外,如果考慮到平臺移植,還是少用為佳。

4.6 有學(xué)習使用hash_map的建議嗎?

hash中文是哈希,也成為散列,聽(tīng)見(jiàn)別人說(shuō)散列容器不要埋怨自己孤陋寡聞。了解hash系列,你還可以看看這篇文章:effective STL 25: 熟悉非標準散列容器, 另外建議查看源代碼。如果還有問(wèn)題,那么你可以在STL論壇上提問(wèn),會(huì )有高手回答你的。
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