关于 STL 中的 map 和 hash_map

blackrabbit 发布于1年前 阅读12312次
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在网上看到有关STL中hash_map的文章,以及一些其他关于STL map和hash_map的资料,总结笔记如下:

1、STL的map底层是用红黑树实现的,查找时间复杂度是log(n);

2、STL的hash_map底层是用hash表存储的,查询时间复杂度是O(1);

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间,而且众所周知hash表是以空间换时间的,因而hash_map的内存消耗肯定要大,一般情况下,如果记录非常大,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。

以下内容来自:http://blog.163.com/liuruigong_lrg/blog/static/27370306200711334341781/

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的存储和查询功能。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,最笨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,然后按照二分查找。但是增加记录的时间同时需要保持记录有序,因此需要插入排序。考虑到效率,这就需要用二叉树。如果你使用STL中map容器,你可以非常方便实现这个功能,而不用关心其他细节。看看map的实现。

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())
{
        ...
}

实现起来比较容易,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。

速度永远满足不了现实的需求,如果100万条记录,需要频繁的进行搜索时,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二次比较,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

hash_map基于hash table(哈希表)。哈希表最大的优点是:把数据存储和查询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。然后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,这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不不同的元素,却计算出相同的函数值,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”中。总的来说,“直接定址”和“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进行保存。其插入过程:

1、得到key;

2、通过hash函数得到hash值;

3、得到桶号(一般都为hash值对桶数求模);

4、存放key和value在桶内;

其取值过程是:

1、得到key;

2、通过hash函数得到hash值;

3、得到桶号;

4、比较桶的内部元素是否与key相等,若不相等,则没有找到;

5、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的使用

2.1 一个简单的例子

不要急着如何把“岳不群”用hash_map表示,先看一个简单的例子:随你给你一个ID号和ID号相应的信息,ID号的范围是1~231。如何快速查找保存。

#include <iostream>
#include <string>
#include <hash_map>
 
usingnamespace std;
 
int main()
{
    hash_map<int, string> mp;
    mp[9527] = "唐伯虎点秋香";
    mp[10000] = "百万富翁的生活";
    mp[88888] = "白领的工资底线";
 
    if(mp.find(10000) != mp.end())
    {
        //....
    }
}

这也是比较简单的,和map的使用方法一样。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这里不需要关注太多的。

2.2 hash_map 的 hash 函数

hash>到底是什么样子?看看源代码:

struct hash<int> {
        size_toperator()(int __x) const { return __x; }
};

原来是个函数对象。咋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,如果你的可以key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,例如对于string,就必须自定义hash函数。例如:

struct str_hash{
        size_toperator()(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_toperator()(const string& str) const
        {
                return return __stl_hash_string(str.c_str());
        }
};

在声明自己的hash函数时要注意以下几点:

1、使用struct,然后重载operator();

2、返回size_t;

3、参数是你要hash的key的类型;

4、函数是const类型的;

如这些比较难记,最简单的方法就是照猫画虎,找一个函数改改就是了。

现在开始对开头的“岳不群”进行哈希化,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;

其他用法都不用管。当然不要忘记了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。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>。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 _Arg1first_argument_type;
        typedef _Arg2second_argument_type;
        typedef _Resultresult_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>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;
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";

2.4 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。

1、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。

2、const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找,输入为键值,返回为迭代器。

3、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。

4、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。

5、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外,还有hash_set、hash_multimap、hash_multiset,这些容器使用起来和set、multimap、multiset的区别于hash_map和map的区别一样。

4、其他

这里列几个问题,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?

(1)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)。

(2)存储结构 hash_map采用hash表存储,map一般采用红黑树实现。因此内存数据结构是不一样的。

4.2 什么时候需要使用hash_map,什么时候需要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。

4.3 如何在hash_map中加入自己定义的类型?

你只需要做两件事情:定于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 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_toperator()(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;
        ClassAa1(12);
        hmap[a1]="I am 12";
        ClassAa2(198877);
        hmap[a2]="I am 198877";
        
        cout<<hmap[a1]<<endl;
        cout<<hmap[a2]<<endl;
        return 0;
}

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 KeyMap;

当你希望使用hash_map来替换的时候,只需要修改:

typedef hash_map 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。

引:http://blog.csdn.net/lewsn2008/article/details/8629285

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