【C++练级之路】【Lv.17】【STL】set类和map类的模拟实现

2024-03-28 10:18:03
开发
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个人专栏：《C语言》《数据结构世界》《进击的C++》

远方有一堆篝火，在为久候之人燃烧！

引言

STL库中的set类和map类，其底层原理都是通过红黑树来实现的。尽管set和map可以各自实现一棵红黑树，但是为了提高代码的复用率，STL库中将红黑树进行了一定的改造，实现以相同的底层实现不同的容器。

一、红黑树（改造版）

1.1 结点

enum Color
{
	RED,
	BLACK
};

template<class T>
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode<T>* _left;
	RBTreeNode<T>* _right;
	RBTreeNode<T>* _parent;
	T _data;
	Color _col;

	RBTreeNode(const T& data)
		: _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _data(data)
		, _col(RED)
	{}
};

细节：

将数据类型改为T，因为要同时适用set（存储键值）和map（存储键值对）

1.2 迭代器

改造后的红黑树，最重要的功能之一就是支持双向迭代器，以最左结点为首，以最右结点为尾。

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct RBTreeIterator
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;
	typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;
	Node* _node;

	RBTreeIterator(Node* node)
		: _node(node)
	{}

	RBTreeIterator(const Iterator& it)
		: _node(it._node)
	{}

	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()
	{
		return &(operator*());
	}

	bool operator!=(const Self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}

	bool operator==(const Self& s)
	{
		return _node == s._node;
	}
};

细节：

一些基本的迭代器范式操作已经给出，重点的++与- -操作后面详细实现
迭代器的拷贝构造函数有两个用途：
- 以普通迭代器拷贝出普通迭代器（普通迭代器调用时）
- 以普通迭代器拷贝出const迭代器（const迭代器调用时）

1.2.1 operator++

Self operator++()
{
	if (_node->_right)//右不为空，找右子树的最左结点
	{
		Node* subLeft = _node->_right;
		while (subLeft->_left)
		{
			subLeft = subLeft->_left;
		}
		_node = subLeft;
	}
	else//右为空，向上找孩子是父亲左的那个父亲
	{
		Node* parent = _node->_parent;
		Node* cur = _node;
		while (parent && parent->_right == cur)
		{
			cur = parent;
			parent = cur->_parent;
		}
		_node = parent;
	}
	return *this;
}

Self operator++(int)
{
	Node* tmp = _node;
	++*this;
	return tmp;
}

细节：

前置++的思路：
- 右不为空，找右子树的最左结点
- 右为空，向上找孩子是父亲左的那个父亲
后置++：复用前置++，返回临时对象

1.2.2 operator- -

Self operator--()
{
	if (_node->_left)//左不为空，找左子树的最右结点
	{
		Node* subRight = _node->_left;
		while (subRight->_right)
		{
			subRight = subRight->_right;
		}
		_node = subRight;
	}
	else//左为空，向上找孩子是父亲右的那个父亲
	{
		Node* parent = _node->_parent;
		Node* cur = _node;
		while (parent && parent->_left == cur)
		{
			cur = parent;
			parent = cur->_parent;
		}
		_node = parent;
	}
	return *this;
}

Self operator--(int)
{
	Node* tmp = _node;
	--*this;
	return tmp;
}

细节：

前置- -的思路：
- 左不为空，找左子树的最右结点
- 左为空，向上找孩子是父亲右的那个父亲
后置- -：复用前置- -，返回临时对象

1.3 本体

template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
protected:
	typedef RBTreeNode<T> Node;
public:
protected:
	Node* _root = nullptr;
};

细节：

模板参数第一个为K，键值类型（比较时会用到）
模板参数第二个为T，同时适用set（存储键值）和map（存储键值对）
模板参数第三个为KeyOfT（仿函数类型），用于获取不同数据T的键值key来进行比较

1.3.1 begin和end

typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

iterator begin()
{
	Node* cur = _root;
	while (cur->_left)
	{
		cur = cur->_left;
	}
	return iterator(cur);
}

const_iterator begin() const
{
	Node* cur = _root;
	while (cur->_left)
	{
		cur = cur->_left;
	}
	return const_iterator(cur);
}

iterator end()
{
	return iterator(nullptr);
}

const_iterator end() const
{
	return const_iterator(nullptr);
}

细节：begin返回最左节点的迭代器，end返回空迭代器

1.3.2 Find

iterator Find(const K& key)
{
	if (_root == nullptr)
	{
		return iterator(nullptr);
	}

	KeyOfT kot;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (kot(cur->_data) < key)
		{
			cur = cur->_right;
		}
		else if (kot(cur->_data) > key)
		{
			cur = cur->_left;
		}
		else
		{
			return iterator(cur);
		}
	}

	return iterator(nullptr);
}

细节：

返回迭代器
运用仿函数进行键值比较

1.3.3 Insert

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);
		}
	}

	Node* newnode = new Node(data);
	cur = newnode;
	if (kot(parent->_data) < kot(data))
	{
		parent->_right = cur;
	}
	else
	{
		parent->_left = cur;
	}
	cur->_parent = parent;

	while (parent && parent->_col == RED)
	{
		Node* grandparent = parent->_parent;
		if (grandparent->_right == parent)//uncle在左，parent在右
		{
			Node* uncle = grandparent->_left;
			if (uncle && uncle->_col == RED)//uncle为红，变色+向上调整
			{
				parent->_col = uncle->_col = BLACK;
				grandparent->_col = RED;

				cur = grandparent;
				parent = cur->_parent;
			}
			else//uncle为空或为黑，变色+旋转
			{
				if (parent->_right == cur)//左单旋
				{
					RotateL(grandparent);
					parent->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
				}
				else//右左旋
				{
					RotateR(parent);
					RotateL(grandparent);
					cur->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
				}
			}
		}
		else//parent在左，uncle在右
		{
			Node* uncle = grandparent->_right;
			if (uncle && uncle->_col == RED)
			{
				parent->_col = uncle->_col = BLACK;
				grandparent->_col = RED;

				cur = grandparent;
				parent = cur->_parent;
			}
			else
			{
				if (parent->_left == cur)//右单旋
				{
					RotateR(grandparent);
					parent->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
				}
				else//左右旋
				{
					RotateL(parent);
					RotateR(grandparent);
					cur->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
				}
			}
		}
	}
	_root->_col = BLACK;

	return make_pair(iterator(newnode), true);
}

细节：

返回pair，第一个参数为迭代器，第二个参数为布尔值（记录是否插入成功）
运用仿函数进行键值比较

二、set

2.1 成员变量与仿函数

template<class K>
class set
{
	struct SetKeyOfT
	{
		const K& operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};
public:
protected:
	RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
};

细节：

set类仿函数，直接返回参数key
成员变量的第二个模板参数为K，第三个模板参数为SetKeyOfT

2.2 begin和end

typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;

iterator begin()
{
	return _t.begin();
}

const_iterator begin() const
{
	return _t.begin();
}

iterator end()
{
	return _t.end();
}

const_iterator end() const
{
	return _t.end();
}

细节：

加上typename关键字，编译器才能识别类型
set中存储的键值key均不允许修改，所以其普通迭代器和const迭代器均为红黑树的const迭代器
由于set的普通迭代器也是红黑树的const迭代器，调用普通begin()时，便有从普通迭代器到const迭代器的转换，此时之前写的拷贝构造（以普通迭代器拷贝构造const迭代器）便派上用场了。

2.3 find

iterator find(const K& key)
{
	return _t.Find(key);
}

2.4 insert

pair<iterator, bool> insert(const K& key)
{
	return _t.Insert(key);
}

细节：

插入参数类型为K（键值）
此时也有从普通迭代器到const迭代器的转换

三、map

3.1 成员变量与仿函数

template<class K, class V>
class map
{
	struct MapKeyOfT
	{
		const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
		{
			return kv.first;
		}
	};
public:
protected:
	RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
};

细节：

map类仿函数，返回参数pair的first
成员变量的第二个模板参数为pair，第三个模板参数为MapKeyOfT

3.2 begin和end

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();
}

const_iterator begin() const
{
	return _t.begin();
}

iterator end()
{
	return _t.end();
}

const_iterator end() const
{
	return _t.end();
}

细节：

加上typename关键字，编译器才能识别类型
map同样不允许修改key，故加上const修饰，但是允许修改存储的value，所以普通和const迭代器一一对应

此时，可能有人会问，那刚刚set不允许修改key，为什么不也直接用const修饰呢？请看以下这段代码：

typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

如果变成第二个模板参数T传入const K，那么就会形成两个连续的const，这是不被允许的。所以才想了其他方法来补救。

3.3 find

iterator find(const K& key)
{
	return _t.Find(key);
}

3.4 insert

pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
{
	return _t.Insert(kv);
}

细节：插入参数类型为pair（键值对）

3.5 operator[ ]

map最好用的重载运算符[ ]，我们肯定也要实现，平常插入和修改使用[ ]更加方便。

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

细节：

插入成功便是插入，插入失败便是查找+修改
返回value的引用，可以直接插入或修改

真诚点赞，手有余香

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