C++ STL中哈希表 hash_map介绍
2014-12-17 01:52
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0为什么需要hash_map
用过map吧?map提供一个很常用的功能,那就是提供key-value的存储和查找功能。例如,我要记录一个人名和相应的存储,而且随时增加,要快速查找和修改:岳不群-华山派掌门人,人称君子剑 张三丰-武当掌门人,太极拳创始人 东方不败-第一高手,葵花宝典 ...
这些信息如果保存下来并不复杂,但是找起来比较麻烦。例如我要找"张三丰"的信息,最傻的方法就是取得所有的记录,然后按照名字一个一个比较。如果要速度快,就需要把这些记录按照字母顺序排列,然后按照二分法查找。但是增加记录的时候同时需要保持记录有序,因此需要插入排序。考虑到效率,这就需要用到二叉树。讲下去会没完没了,如果你使用STL的map容器,你可以非常方便的实现这个功能,而不用关心其细节。关于map的数据结构细节,感兴趣的朋友可以参看学习STLmap,STLset之数据结构基础。看看map的实现:
#include<map> #include<string> usingnamespacestd; ... map<string,string>namemap; //增加。。。 namemap["岳不群"]="华山派掌门人,人称君子剑"; namemap["张三丰"]="武当掌门人,太极拳创始人"; namemap["东方不败"]="第一高手,葵花宝典"; ... //查找。。 if(namemap.find("岳不群")!=namemap.end()){ ... }
不觉得用起来很easy吗?而且效率很高,100万条记录,最多也只要20次的string.compare的比较,就能找到你要找的记录;200万条记录事,也只要用21次的比较。
速度永远都满足不了现实的需求。如果有100万条记录,我需要频繁进行搜索时,20次比较也会成为瓶颈,要是能降到一次或者两次比较是否有可能?而且当记录数到200万的时候也是一次或者两次的比较,是否有可能?而且还需要和map一样的方便使用。
答案是肯定的。这时你需要has_map.虽然hash_map目前并没有纳入C++标准模板库中,但几乎每个版本的STL都提供了相应的实现。而且应用十分广泛。在正式使用hash_map之前,先看看hash_map的原理。
1数据结构:hash_map原理
这是一节让你深入理解hash_map的介绍,如果你只是想囫囵吞枣,不想理解其原理,你倒是可以略过这一节,但我还是建议你看看,多了解一些没有坏处。hash_map基于hashtable(哈希表)。哈希表最大的优点,就是把数据的存储和查找消耗的时间大大降低,几乎可以看成是常数时间;而代价仅仅是消耗比较多的内存。然而在当前可利用内存越来越多的情况下,用空间换时间的做法是值得的。另外,编码比较容易也是它的特点之一。
其基本原理是:使用一个下标范围比较大的数组来存储元素。可以设计一个函数(哈希函数,也叫做散列函数),使得每个元素的关键字都与一个函数值(即数组下标,hash值)相对应,于是用这个数组单元来存储这个元素;也可以简单的理解为,按照关键字为每一个元素“分类”,然后将这个元素存储在相应“类”所对应的地方,称为桶。
但是,不能够保证每个元素的关键字与函数值是一一对应的,因此极有可能出现对于不同的元素,却计算出了相同的函数值,这样就产生了“冲突”,换句话说,就是把不同的元素分在了相同的“类”之中。总的来说,“直接定址”与“解决冲突”是哈希表的两大特点。
hash_map,首先分配一大片内存,形成许多桶。是利用hash函数,对key进行映射到不同区域(桶)进行保存。其插入过程是:
得到key
通过hash函数得到hash值
得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
存放key和value在桶内。
其取值过程是:
得到key
通过hash函数得到hash值
得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
比较桶的内部元素是否与key相等,若都不相等,则没有找到。
取出相等的记录的value。
hash_map中直接地址用hash函数生成,解决冲突用比较函数解决。这里可以看出,如果每个桶内部只有一个元素,那么查找的时候只有一次比较。当许多桶内没有值时,许多查询就会更快了(指查不到的时候).
由此可见,要实现哈希表,和用户相关的是:hash函数和比较函数。这两个参数刚好是我们在使用hash_map时需要指定的参数。
2hash_map使用
2.1一个简单实例
不要着急如何把"岳不群"用hash_map表示,我们先看一个简单的例子:随机给你一个ID号和ID号相应的信息,ID号的范围是1~2的31次方。如何快速保存查找。#include<hash_map> #include<string> usingnamespacestd;
intmain(){ hash_map<int,string>mymap; mymap[9527]="唐伯虎点秋香"; mymap[1000000]="百万富翁的生活"; mymap[10000]="白领的工资底线"; ... if(mymap.find(10000)!=mymap.end()){ ... }
够简单,和map使用方法一样。这时你或许会问?hash函数和比较函数呢?不是要指定么?你说对了,但是在你没有指定hash函数和比较函数的时候,你会有一个缺省的函数,看看hash_map的声明,你会更加明白。下面是SGISTL的声明:
template<class_Key,class_Tp,class_HashFcn=hash<_Key>, class_EqualKey=equal_to<_Key>, class_Alloc=__STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp)> classhash_map { ... }
也就是说,在上例中,有以下等同关系:
... hash_map<int,string>mymap; //等同于: hash_map<int,string,hash<int>,equal_to<int>>mymap;
Alloc我们就不要取关注太多了(希望深入了解Allocator的朋友可以参看标准库STL:Allocator能做什么)
2.2hash_map的hash函数
hash<int>到底是什么样子?看看源码:structhash<int>{ size_toperator()(int__x)const{return__x;} };
原来是个函数对象。在SGISTL中,提供了以下hash函数:
structhash<char*> structhash<constchar*> structhash<char> structhash<unsignedchar> structhash<signedchar> structhash<short> structhash<unsignedshort> structhash<int> structhash<unsignedint> structhash<long> structhash<unsignedlong>
也就是说,如果你的key使用的是以上类型中的一种,你都可以使用缺省的hash函数。当然你自己也可以定义自己的hash函数。对于自定义变量,你只能如此,例如对于string,就必须自定义hash函数。例如:
structhash_string{ size_toperator()(conststring&str)const { unsignedlong__h=0; for(size_ti=0;i<str.size();i++) __h=5*__h+str[i]; returnsize_t(__h); } }; //如果你希望利用系统定义的字符串hash函数,你可以这样写: structhash_string{ size_toperator()(conststring&str)const { return__stl_hash_string(str.c_str()); } };
在VisualStudio下,hashfunction和equalfunction在一个结构中,不想SGI的是分开的。
structhash_string { staticconstsize_tbucket_size=4; staticconstsize_tmin_buckets=8;
//1.definethehashfunction size_toperator()(conststring&str)const { unsignedlong__h=0; for(size_ti=0;i<str.size();i++) __h=5*__h+str[i]; returnsize_t(__h); }
////1.definethehashfunction //size_toperator()(conststring&str)const //{ //return__stl_hash_string(str.c_str()); //}
//2.definetheequalfunction booloperator()(conststring&p1,conststring&p2)const{ returnp1==p2; } };
在声明自己的哈希函数时要注意以下几点:
使用struct,然后重载operator();
返回是size_t;
参数是你要hash的key的类型;
函数是const类型的。
如果这些比较难记,最简单的方法就是照猫画虎,找一个函数改改就是了。
现在可以对开头的"岳不群"进行哈希化了
.直接替换成下面的声明即可:
map<string,string>namemap; //改为: hash_map<string,string,hash_string>namemap;
其他用法都不用边。当然不要忘了吧hash_string的声明以及头文件改为hash_map。
你或许会问:比较函数呢?别着急,这里就开始介绍hash_map中的比较函数。
2.3hash_map的比较函数
在map中的比较函数,需要提供less函数。如果没有提供,缺省的也是less<Key>。在hash_map中,要比较桶内的数据和key是否相等,因此需要的是是否等于的函数:equal_to<Key>。先看看equal_to的源码:
//本代码可以从SGISTL //先看看binary_function函数声明,其实只是定义一些类型而已。 template<class_Arg1,class_Arg2,class_Result> structbinary_function{ typedef_Arg1first_argument_type; typedef_Arg2second_argument_type; typedef_Resultresult_type; }; //看看equal_to的定义: template<class_Tp> structequal_to:publicbinary_function<_Tp,_Tp,bool> { booloperator()(const_Tp&__x,const_Tp&__y)const{return__x==__y;} };
如果你使用一个自定义的数据类型,如structmystruct,或者constchar*的字符串,如何使用比较函数?
使用比较函数,有两种方法.
第一种是:重载==操作符,利用equal_to;看看下面的例子:
structmystruct{ intiID; intlen; booloperator==(constmystruct&my)const{ return(iID==my.iID)&&(len==my.len); } };
这样,就可以使用equal_to<mystruct>作为比较函数了。
另一种方法就是:使用函数对象。自定义一个比较函数体:
structcompare_str{ booloperator()(constchar*p1,constchar*p2)const{ returnstrcmp(p1,p2)==0; } };
有了compare_str,就可以使用hash_map了。
typedefhash_map<constchar*,string,hash<constchar*>,compare_str>StrIntMap; StrIntMapnamemap; namemap["岳不群"]="华山派掌门人,人称君子剑"; namemap["张三丰"]="武当掌门人,太极拳创始人"; namemap["东方不败"]="第一高手,葵花宝典";
2.4hash_map函数
hash_map的函数和map的函数差不多。具体函数的参数和解释,请参看:STL
编程手册:Hash_map,这里主要介绍几个常用函数。
hash_map(size_typen)如果讲究效率,这个参数是必须要设置的。n主要用来设置hash_map
容器中hash桶的个数。桶个数越多,hash函数发生冲突的概率就越小,重新申请内存的概率就越小。n越大,效率越高,但是内存消耗也越大。
const_iteratorfind(constkey_type&
k)const.用查找,输入为键值,返回为迭代器。
data_type&operator[](constkey_type&
k).这是我最常用的一个函数。因为其特别方便,可像使用数组一样使用。不过需要注意的是,当你使用[key]操作符时,如果容器中没有key元素,这就相当于自动增加了一个key元素。因此当你只是想知道容器中是否有key元素时,你可以使用find。如果你希望插入该元素时,你可以直接使用[]操作符。
insert函数。在容器中不包含key值时,insert函数和[]操作符的功能差不多。但是当容器中元素越来越多,每个桶中的元素会增加,为了保证效率,hash_map会自动申请更大的内存,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。
erase函数。在insert的过程中,当每个桶的元素太多时,hash_map可能会自动扩充容器的内存。但在sgi
stl中是erase并不自动回收内存。因此你调用erase后,其他元素的iterator还是可用的。
3相关hash容器
hash容器除了hash_map之外,还有hash_set,hash_multimap,has_multiset,这些容器使用起来和set,multimap,multiset的区别与hash_map和map的区别一样,我想不需要我一一细说了吧。
4其他
这里列几个常见问题,应该对你理解和使用hash_map比较有帮助。
4.1hash_map和map的区别在哪里?
构造函数。hash_map需要hash函数,等于函数;map只需要比较函数(小于函数).存储结构。hash_map采用hash表存储,map一般采用红黑树(RB
Tree)实现。因此其memory数据结构是不一样的。
4.2什么时候需要用hash_map,什么时候需要用map?
总体来说,hash_map查找速度会比map快,而且查找速度基本和数据数据量大小,属于常数级别;而map的查找速度是log(n)级别。并不一定常数就比log(n)小,hash还有hash函数的耗时,明白了吧,如果你考虑效率,特别是在元素达到一定数量级时,考虑考虑hash_map。但若你对内存使用特别严格,希望程序尽可能少消耗内存,那么一定要小心,hash_map可能会让你陷入尴尬,特别是当你的hash_map对象特别多时,你就更无法控制了,而且hash_map的构造速度较慢。现在知道如何选择了吗?权衡三个因素:查找速度,数据量,内存使用。
这里还有个关于hash_map和map的小故事,看看:
4.3如何在hash_map中加入自己定义的类型?
你只要做两件事,定义hash函数,定义等于比较函数。下面的代码是一个例子:-bash-2.05b$catmy.cpp
#include<string> #include<iostream> usingnamespacestd;
//justfor"#include<hash_map>"inlinux #if__GNUC__>2 #include<ext/hash_map> using__gnu_cxx::hash_map; #else #include<hash_map> #endif
//0definetheclass classClassA{
public: ClassA(inta):c_a(a){} intgetvalue()const{returnc_a;} voidsetvalue(inta){c_a=a;}
private: intc_a; }; //1definethehashfunction structhash_A{ size_toperator()(constclassClassA&A)const{ //returnhash<int>(classA.getvalue()); returnA.getvalue(); } }; //2definetheequalfunction structequal_A{ booloperator()(constclassClassA&a1,constclassClassA&a2)const{ returna1.getvalue()==a2.getvalue(); } }; intmain() { hash_map<ClassA,string,hash_A,equal_A>hmap; ClassAa1(12); hmap[a1]="Iam12"; ClassAa2(198877); hmap[a2]="Iam198877"; cout<<hmap[a1]<<endl; cout<<hmap[a2]<<endl;
return0; }
-bash-2.05b$makemy c++-O-pipe-march=pentiumpromy.cpp-omy -bash-2.05b$./my Iam12 Iam198877
在VisualStudio下,hashfunction和equalfunction在一个结构中,不想SGI的是分开的。
classMyClass
{
....
};
structmy_hash
{
staticconstsize_tbucket_size=4;
staticconstsize_tmin_buckets=8;
size_toperator()(constMyClass&Key)const
{
size_thash=999;
for(size_ti=0;i<100000;i++)
hash="hashfunction";
returnhash;
}
booloperator()(constMyClass&c1,constMyClass&c2)const
{
return"equalfunction";
}
};
intmain()
{
hash_map<MyClass,int,my_hash>my;
......
}
4.4如何用hash_map替换程序中已有的map容器?
这个很容易,但需要你有良好的编程风格。建议你尽量使用typedef来定义你的类型:
typedefmap<Key,Value>KeyMap;
当你希望使用hash_map来替换的时候,只需要修改:
typedefhash_map<Key,Value>KeyMap;
其他的基本不变。当然,你需要注意是否有Key类型的hash函数和比较函数。
4.5为什么hash_map不是标准的?
具体为什么不是标准的,我也不清楚,有个解释说在STL加入标准C++之时,hash_map系列当时还没有完全实现,以后应该会成为标准。如果谁知道更合理的解释,也希望告诉我。但我想表达的是,正是因为hash_map不是标准的,所以许多平台上安装了g++编译器,不一定有hash_map的实现。我就遇到了这样的例子。因此在使用这些非标准库的时候,一定要事先测试。另外,如果考虑到平台移植,还是少用为佳。-----Arrangedby
22:112009-12-04-----
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