STL 中的map 与 hash_map的理解

2022-09-23 10:37:40

可以参考侯捷编著的《STL源码剖析》

　　1、STL的map底层是用红黑树存储的，查找时间复杂度是log(n)级别；

　　2、STL的hash_map底层是用hash表存储的，查询时间复杂度是常数级别；

　　3、什么时候用map，什么时候用hash_map?

　　这个要看具体的应用，不一定常数级别的hash_map一定比log(n)级别的map要好，hash_map的hash函数以及解决地址冲突等都要耗时，而且众所周知hash表是以空间效率来换时间效率的，因而hash_map的内存消耗肯定要大。一般情况下，如果记录数非常大时，考虑hash_map，查找效率会高很多，如果要考虑内存消耗，则要谨慎使用hash_map。

　　4、hash_map的适用方法

　　注意hash_map的定义如下：

　　template <class _Key, class _Tp, class _HashFcn = hash<_Key>,class _EqualKey = equal_to<_Key>,class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
　　class hash_map
　　{
...
　　}

　　这是一个模板类，第一、二个参数为键和值得类型。要注意的是第三、四个参数，前者是对键计算hash值用到的hash函数对象，后者是查找记录时对键进行比较时用到的比较函数函数对象，在STL中是定义的结构体来封装的这两个函数对象。系统内置数据类型，这两个函数是有默认的。如果是用户自定义类型需要提供自定义的包含这两个函数的结构体。这与JAVA语言的适用上是一直的，Java中的Map函数也需要提供容器成员实现hash()函数以及equals（）函数，hash函数完成定位，equals完成统一hash值下的特定目标。

　　（1）自定义hash函数时，定义一个结构体，名字任意，结构体中重载operator()，参数为自定义类型的对象引用，如下：

　　struct my_hash{
size_t operator()(const MyClass& obj) const
{
　　　　　　......
}
　　};

　　在定义hash_map的时候，将该结构体传给第三个参数即可

　　（2）自定义比较函数时，有两种方法，第一种方法很简单，在自定义类型中重载operator==即可，operator==()函数中实现对键值相等的比较。第二种方法与自定义hash函数相似，定义一个结构体，结构体重重载operator()，参数为两个自定义类型的对象引用，在函数中实现对两个对象是否相等的比较，如下：

　　struct my_compare{
size_t operator()(const MyClass& obj) const
{
　　　　　　......
}
　　};

　　在定义hash_map的时候，将该结构体传给第四个参数即可。

　　个人经验之谈：如果对效率要求较高，则Key采用语言提供的基本素具类型，Hash函数对象，以及比较函数对象则使用提供的默认值，这样执行的效率快。

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，可以参考侯捷编著的《STL源码剖析》。看看map的实现:

#include <map>

#include <string>

using namespace std;

...

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，用比较函数解决是否是寻找的统一hash值得对象。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。

2 hash_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>

using namespace std;

int main(){

        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SGI STL的声明：

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;

2.2 hash_map 的hash函数

　　hash< int>到底是什么样子？看看源码:

struct hash<int> {

        size_t operator()(int __x) const { return __x; }

};

　　原来是个函数对象。在SGI STL中，提供了以下hash函数：

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：

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);

        }

};

//如果你希望利用系统定义的字符串hash函数，你可以这样写：

struct str_hash{

        size_t operator()(const string& str) const

        {

                return __stl_hash_string(str.c_str());

        }

};

　　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, str_hash> namemap;

　　其他用法都不用边。当然不要忘了吧str_hash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。

　2.3 hash_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SGI STL

//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>

struct binary_function {

        typedef _Arg1 first_argument_type;

        typedef _Arg2 second_argument_type;

        typedef _Result result_type;

};

//看看equal_to的定义：

template <class _Tp>

struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>

{

        bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }

};

如果你使用一个自定义的数据类型，如struct mystruct, 或者const char* 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：

struct mystruct{

        int iID;

        int  len;

        bool operator==(const mystruct & 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：

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"]="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";

2.4 hash_map 函数

hash_map的函数和map的函数差不多。这里主要介绍几个常用函数。

hash_map(size_type n) 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_iterator find(const key_type& k) const. 用查找，输入为键值，返回为迭代器。
data_type& operator[](const key_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。

4.1 hash_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:http://dev.csdn.net/Develop/article/14/14019.shtm

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$ cat my.cpp

#include <hash_map>

#include <string>

#include <iostream>

using namespace std;

//define the class

class 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 function

struct hash_A{

        size_t operator()(const class ClassA & A)const{

                //  return  hash<int>(classA.getvalue());

                return A.getvalue();

        }

};

//2 define the equal function

struct 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 my

c++  -O -pipe -march=pentiumpro  my.cpp  -o my

-bash-2.05b$ ./my

I am 12

I am 198877

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：

typedef map<Key, Value> KeyMap;

　　当你希望使用hash_map来替换的时候，只需要修改:

　　typedef hash_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。

4.6 有学习使用hash_map的建议吗？

　　hash中文是哈希，也成为散列，听见别人说散列容器不要埋怨自己孤陋寡闻。了解hash系列，你还可以看看这篇文章:effective STL 25: 熟悉非标准散列容器, 另外建议查看源代码。如果还有问题，那么你可以在STL论坛上提问，会有高手回答你的。

码农公寓

0 为什么需要hash_map

1 数据结构：hash_map原理

2 hash_map 使用

2.1 一个简单实例

2.2 hash_map 的hash函数

2.3 hash_map 的比较函数

2.4 hash_map 函数

3 相关hash容器

4 其他

4.1 hash_map和map的区别在哪里？

4.2 什么时候需要用hash_map，什么时候需要用map?

4.3 如何在hash_map中加入自己定义的类型?

4.4如何用hash_map替换程序中已有的map容器？

4.5为什么hash_map不是标准的？

4.6 有学习使用hash_map的建议吗？

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　2.3 hash_map 的比较函数