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详细解说STL hash_map系列

2018年02月16日 ⁄ 综合 ⁄ 共 7615字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论关闭

详细解说STL hash_map系列
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原文地址：

http://www.stlchina.org/twiki/bin/view.pl/Main/STLDetailHashMap#2.2%20hash_map%20
的hash函数

详
细解说STL hash_map系列

条条大路通罗马，为什么你不随便选一条？

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STL map,
STL set之数据结构基础
。看看map的实现:

#include <map>
#include <string>
usingnamespace 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。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>
usingnamespace 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;

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
)

2.2 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



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 smile
. 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。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_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：

#include <hash_map>
#include <string>
#include <iostream>

usingnamespace 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()(constclass ClassA & A)const{
                //  return  hash<int>(classA.getvalue());return A.getvalue();
        }
};

//2 define the equal functionstruct equal_A{
        booloperator()(constclass ClassA & a1, constclass 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

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。

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作者: soja

该日志由 soja 于6年前发表在综合分类下，最后更新于 2018年02月16日.
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