STL源码剖析 [容器]（二十一）[stl_hash_map.h]


hash_map基于hash table（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)。要实现哈希表,
和用户相关的是：hash函数和比较函数。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。

stl_hash_map.h源码：

// Filename:    stl_hash_map.h

// Comment By:  凝霜
// E-mail:      mdl2009@vip.qq.com
// Blog:        http://blog.csdn.net/mdl13412 
// hash_map和hash_multimap是对hashtable的简单包装, 很容易理解

/*
 * Copyright (c) 1996
 * Silicon Graphics Computer Systems, Inc.
 *
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 * and its documentation for any purpose is hereby granted without fee,
 * provided that the above copyright notice appear in all copies and
 * that both that copyright notice and this permission notice appear
 * in supporting documentation.  Silicon Graphics makes no
 * representations about the suitability of this software for any
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 *
 *
 * Copyright (c) 1994
 * Hewlett-Packard Company
 *
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 * and its documentation for any purpose is hereby granted without fee,
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 * that both that copyright notice and this permission notice appear
 * in supporting documentation.  Hewlett-Packard Company makes no
 * representations about the suitability of this software for any
 * purpose.  It is provided "as is" without express or implied warranty.
 *
 */

/* NOTE: This is an internal header file, included by other STL headers.
 *   You should not attempt to use it directly.
 */

#ifndef __SGI_STL_INTERNAL_HASH_MAP_H
#define __SGI_STL_INTERNAL_HASH_MAP_H

__STL_BEGIN_NAMESPACE

#if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)
#pragma set woff 1174
#endif

// 如果编译器不能根据前面模板参数推导出后面使用的默认参数类型,
// 那么就需要手工指定, 并且对于基本的数据类型, 在<stl_hash_fun.h>
// 中都提供hash函数
#ifndef __STL_LIMITED_DEFAULT_TEMPLATES
template <class Key, class T, class HashFcn = hash<Key>,
          class EqualKey = equal_to<Key>,
          class Alloc = alloc>
#else
template <class Key, class T, class HashFcn, class EqualKey,
          class Alloc = alloc>
#endif
class hash_map
{
private:
  typedef hashtable<pair<const Key, T>, Key, HashFcn,
                    select1st<pair<const Key, T> >, EqualKey, Alloc> ht;
  ht rep;

public:
  // 注意: reference, pointer, iterator都为const, 因为不能修改hashtable
  // 内部的元素, 否则会导致hashtable失效
  typedef typename ht::key_type key_type;
  typedef T data_type;
  typedef T mapped_type;
  typedef typename ht::value_type value_type;
  typedef typename ht::hasher hasher;
  typedef typename ht::key_equal key_equal;

  typedef typename ht::size_type size_type;
  typedef typename ht::difference_type difference_type;
  typedef typename ht::pointer pointer;
  typedef typename ht::const_pointer const_pointer;
  typedef typename ht::reference reference;
  typedef typename ht::const_reference const_reference;

  typedef typename ht::iterator iterator;
  typedef typename ht::const_iterator const_iterator;

  // 返回hash相关函数
  hasher hash_funct() const { return rep.hash_funct(); }
  key_equal key_eq() const { return rep.key_eq(); }

public:
  hash_map() : rep(100, hasher(), key_equal()) {}
  explicit hash_map(size_type n) : rep(n, hasher(), key_equal()) {}
  hash_map(size_type n, const hasher& hf) : rep(n, hf, key_equal()) {}
  hash_map(size_type n, const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) {}

#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
  template <class InputIterator>
  hash_map(InputIterator f, InputIterator l)
    : rep(100, hasher(), key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  template <class InputIterator>
  hash_map(InputIterator f, InputIterator l, size_type n)
    : rep(n, hasher(), key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  template <class InputIterator>
  hash_map(InputIterator f, InputIterator l, size_type n,
           const hasher& hf)
    : rep(n, hf, key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  template <class InputIterator>
  hash_map(InputIterator f, InputIterator l, size_type n,
           const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) { rep.insert_unique(f, l); }

#else
  hash_map(const value_type* f, const value_type* l)
    : rep(100, hasher(), key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  hash_map(const value_type* f, const value_type* l, size_type n)
    : rep(n, hasher(), key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  hash_map(const value_type* f, const value_type* l, size_type n,
           const hasher& hf)
    : rep(n, hf, key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  hash_map(const value_type* f, const value_type* l, size_type n,
           const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) { rep.insert_unique(f, l); }

  hash_map(const_iterator f, const_iterator l)
    : rep(100, hasher(), key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  hash_map(const_iterator f, const_iterator l, size_type n)
    : rep(n, hasher(), key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  hash_map(const_iterator f, const_iterator l, size_type n,
           const hasher& hf)
    : rep(n, hf, key_equal()) { rep.insert_unique(f, l); }
  hash_map(const_iterator f, const_iterator l, size_type n,
           const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) { rep.insert_unique(f, l); }
#endif /*__STL_MEMBER_TEMPLATES */

public:
  // 下面都是对hashtable的简单封装, 见<stl_hashtable.h>
  size_type size() const { return rep.size(); }
  size_type max_size() const { return rep.max_size(); }
  bool empty() const { return rep.empty(); }
  void swap(hash_map& hs) { rep.swap(hs.rep); }
  friend bool
  operator== __STL_NULL_TMPL_ARGS (const hash_map&, const hash_map&);

  iterator begin() { return rep.begin(); }
  iterator end() { return rep.end(); }
  const_iterator begin() const { return rep.begin(); }
  const_iterator end() const { return rep.end(); }

public:
  // 不允许插入key相同的元素
  pair<iterator, bool> insert(const value_type& obj)
    { return rep.insert_unique(obj); }

#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
  template <class InputIterator>
  void insert(InputIterator f, InputIterator l) { rep.insert_unique(f,l); }
#else
  void insert(const value_type* f, const value_type* l) {
    rep.insert_unique(f,l);
  }
  void insert(const_iterator f, const_iterator l) { rep.insert_unique(f, l); }
#endif /*__STL_MEMBER_TEMPLATES */

  pair<iterator, bool> insert_noresize(const value_type& obj)
    { return rep.insert_unique_noresize(obj); }

  iterator find(const key_type& key) { return rep.find(key); }
  const_iterator find(const key_type& key) const { return rep.find(key); }

  // 如果key存在则返回对应的元素, 否则新建一个key
  T& operator[](const key_type& key)
  {
    return rep.find_or_insert(value_type(key, T())).second;
  }

  // 下面封装见<stl_hashtable.h>
  size_type count(const key_type& key) const { return rep.count(key); }

  pair<iterator, iterator> equal_range(const key_type& key)
    { return rep.equal_range(key); }
  pair<const_iterator, const_iterator> equal_range(const key_type& key) const
    { return rep.equal_range(key); }

  size_type erase(const key_type& key) {return rep.erase(key); }
  void erase(iterator it) { rep.erase(it); }
  void erase(iterator f, iterator l) { rep.erase(f, l); }
  void clear() { rep.clear(); }

public:
  void resize(size_type hint) { rep.resize(hint); }
  size_type bucket_count() const { return rep.bucket_count(); }
  size_type max_bucket_count() const { return rep.max_bucket_count(); }
  size_type elems_in_bucket(size_type n) const
    { return rep.elems_in_bucket(n); }
};

template <class Key, class T, class HashFcn, class EqualKey, class Alloc>
inline bool operator==(const hash_map<Key, T, HashFcn, EqualKey, Alloc>& hm1,
                       const hash_map<Key, T, HashFcn, EqualKey, Alloc>& hm2)
{
  return hm1.rep == hm2.rep;
}

// 如果编译器支持模板函数特化优先级
// 那么将全局的swap实现为使用hash_map私有的swap以提高效率
#ifdef __STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER

template <class Key, class T, class HashFcn, class EqualKey, class Alloc>
inline void swap(hash_map<Key, T, HashFcn, EqualKey, Alloc>& hm1,
                 hash_map<Key, T, HashFcn, EqualKey, Alloc>& hm2)
{
  hm1.swap(hm2);
}

#endif /* __STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER */

// hash_multimap和hash_map除去允许key重复外, 其余性质一致
#ifndef __STL_LIMITED_DEFAULT_TEMPLATES
template <class Key, class T, class HashFcn = hash<Key>,
          class EqualKey = equal_to<Key>,
          class Alloc = alloc>
#else
template <class Key, class T, class HashFcn, class EqualKey,
          class Alloc = alloc>
#endif
class hash_multimap
{
private:
  typedef hashtable<pair<const Key, T>, Key, HashFcn,
                    select1st<pair<const Key, T> >, EqualKey, Alloc> ht;
  ht rep;

public:
  typedef typename ht::key_type key_type;
  typedef T data_type;
  typedef T mapped_type;
  typedef typename ht::value_type value_type;
  typedef typename ht::hasher hasher;
  typedef typename ht::key_equal key_equal;

  typedef typename ht::size_type size_type;
  typedef typename ht::difference_type difference_type;
  typedef typename ht::pointer pointer;
  typedef typename ht::const_pointer const_pointer;
  typedef typename ht::reference reference;
  typedef typename ht::const_reference const_reference;

  typedef typename ht::iterator iterator;
  typedef typename ht::const_iterator const_iterator;

  hasher hash_funct() const { return rep.hash_funct(); }
  key_equal key_eq() const { return rep.key_eq(); }

public:
  hash_multimap() : rep(100, hasher(), key_equal()) {}
  explicit hash_multimap(size_type n) : rep(n, hasher(), key_equal()) {}
  hash_multimap(size_type n, const hasher& hf) : rep(n, hf, key_equal()) {}
  hash_multimap(size_type n, const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) {}

#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
  template <class InputIterator>
  hash_multimap(InputIterator f, InputIterator l)
    : rep(100, hasher(), key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  template <class InputIterator>
  hash_multimap(InputIterator f, InputIterator l, size_type n)
    : rep(n, hasher(), key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  template <class InputIterator>
  hash_multimap(InputIterator f, InputIterator l, size_type n,
                const hasher& hf)
    : rep(n, hf, key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  template <class InputIterator>
  hash_multimap(InputIterator f, InputIterator l, size_type n,
                const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) { rep.insert_equal(f, l); }

#else
  hash_multimap(const value_type* f, const value_type* l)
    : rep(100, hasher(), key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  hash_multimap(const value_type* f, const value_type* l, size_type n)
    : rep(n, hasher(), key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  hash_multimap(const value_type* f, const value_type* l, size_type n,
                const hasher& hf)
    : rep(n, hf, key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  hash_multimap(const value_type* f, const value_type* l, size_type n,
                const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) { rep.insert_equal(f, l); }

  hash_multimap(const_iterator f, const_iterator l)
    : rep(100, hasher(), key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  hash_multimap(const_iterator f, const_iterator l, size_type n)
    : rep(n, hasher(), key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  hash_multimap(const_iterator f, const_iterator l, size_type n,
                const hasher& hf)
    : rep(n, hf, key_equal()) { rep.insert_equal(f, l); }
  hash_multimap(const_iterator f, const_iterator l, size_type n,
                const hasher& hf, const key_equal& eql)
    : rep(n, hf, eql) { rep.insert_equal(f, l); }
#endif /*__STL_MEMBER_TEMPLATES */

public:
  size_type size() const { return rep.size(); }
  size_type max_size() const { return rep.max_size(); }
  bool empty() const { return rep.empty(); }
  void swap(hash_multimap& hs) { rep.swap(hs.rep); }
  friend bool
  operator== __STL_NULL_TMPL_ARGS (const hash_multimap&, const hash_multimap&);

  iterator begin() { return rep.begin(); }
  iterator end() { return rep.end(); }
  const_iterator begin() const { return rep.begin(); }
  const_iterator end() const { return rep.end(); }

public:
  iterator insert(const value_type& obj) { return rep.insert_equal(obj); }
#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
  template <class InputIterator>
  void insert(InputIterator f, InputIterator l) { rep.insert_equal(f,l); }
#else
  void insert(const value_type* f, const value_type* l) {
    rep.insert_equal(f,l);
  }
  void insert(const_iterator f, const_iterator l) { rep.insert_equal(f, l); }
#endif /*__STL_MEMBER_TEMPLATES */
  iterator insert_noresize(const value_type& obj)
    { return rep.insert_equal_noresize(obj); }

  iterator find(const key_type& key) { return rep.find(key); }
  const_iterator find(const key_type& key) const { return rep.find(key); }

  size_type count(const key_type& key) const { return rep.count(key); }

  pair<iterator, iterator> equal_range(const key_type& key)
    { return rep.equal_range(key); }
  pair<const_iterator, const_iterator> equal_range(const key_type& key) const
    { return rep.equal_range(key); }

  size_type erase(const key_type& key) {return rep.erase(key); }
  void erase(iterator it) { rep.erase(it); }
  void erase(iterator f, iterator l) { rep.erase(f, l); }
  void clear() { rep.clear(); }

public:
  void resize(size_type hint) { rep.resize(hint); }
  size_type bucket_count() const { return rep.bucket_count(); }
  size_type max_bucket_count() const { return rep.max_bucket_count(); }
  size_type elems_in_bucket(size_type n) const
    { return rep.elems_in_bucket(n); }
};

template <class Key, class T, class HF, class EqKey, class Alloc>
inline bool operator==(const hash_multimap<Key, T, HF, EqKey, Alloc>& hm1,
                       const hash_multimap<Key, T, HF, EqKey, Alloc>& hm2)
{
  return hm1.rep == hm2.rep;
}

#ifdef __STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER

template <class Key, class T, class HashFcn, class EqualKey, class Alloc>
inline void swap(hash_multimap<Key, T, HashFcn, EqualKey, Alloc>& hm1,
                 hash_multimap<Key, T, HashFcn, EqualKey, Alloc>& hm2)
{
  hm1.swap(hm2);
}

#endif /* __STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER */

#if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)
#pragma reset woff 1174
#endif

__STL_END_NAMESPACE

#endif /* __SGI_STL_INTERNAL_HASH_MAP_H */

// Local Variables:
// mode:C++
// End:

示例：

/*
 *用来测试STL hash_map 
 *简单例子
*/
#include  <cstdlib>
#include  <iostream>
#include  <string>
#include  <hash_map.h>/*因为hash_map暂不为CPP标准所以没办法写为<hash_map>*/
/*-------------------------------------------*/
using  std::cout;
using  std::endl;
using  std::string;
/*-------------------------------------------*/
/*函数类
 *作为hash_map的hash函数 
 *string没有默认的hash函数 
 */ 
class str_hash{
      public:
       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);
        }
};
/*-------------------------------------------*/
/*函数类 
 *作为hash_map的比较函数 )
 *(查找的时候不同的key往往可能对用到相同的hash值
*/ 
class str_compare
{
      public:
             bool operator()(const string& str1,const string& str2)const
             {return   str1==str2;}
};
/*-------------------------------------------*/
int 
main(int argc, char *argv[])
{  
    hash_map<string,string,str_hash,str_compare>  myhash;
    
    myhash["google"]="newplan";
   
    myhash["baidu"]="zhaoziming";
   
    if(myhash.find("google")!=myhash.end())
      cout<<myhash["google"]<<endl;
    
    system("PAUSE");
    
    return EXIT_SUCCESS;
}
/*-------------------------------------------*/