C++之模拟实现map和set

简介: C++之模拟实现map和set

前言

基于之前的红黑树和map、set的相关知识,本节我们使用红黑树来模拟实现STL中的map和set。


一、迭代器

使用迭代器可以方便我们对数据结构进行遍历,它使数据结构的底层实与用户的使用分离(封装了底层实现),因此我们要给红黑树增加一个迭代器。

1.begin()和end()

STL中明确规定,begin()和end()代表的是一段前闭后开的区间。我们知道对红黑树进行中序遍历可以得到一个有序的序列,因此begin()可以放置在红黑树的最小节点处(即,最左节点),end()应该放置在红黑树最大节点的下一个位置。但是最大结点的下一个位置是什么呢?这个位置是nullptr吗?答案是不能是nullptr,因为对end()位置进行–操作要能找到最后一个元素,如果设置为nullptr就找不到最后一个结点了。

我们可以给红黑树增加一个header结点,让最大结点的next指向它

但是我们只是对它进行模拟,理解它的底层原理即可,为了不要让代码太过复杂,我们本次模拟实现就不设定header结点,直接让end()为nullptr即可(不实现–)。

2.operator++()

找迭代器的下一个结点(它的值一定比当前结点的值大)

template<class T, class Ref, class Ptr>
  struct __RBTreeIterator
  {
    typedef RBTreeNode<T> Node;
    typedef __RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;
    typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
    Node* _node;
    __RBTreeIterator(Node* node)
      :_node(node)
    {}
    Ref operator*()
    {
      return _node->_data;
    }
    Ptr operator->()
    {
      return &_node->_data;
    }
    Self& operator++()
    {
      if (_node->_right)
      {
        Node* min = _node->_right;
        while (min->_left)
        {
          min = min->_left;
        }
        _node = min;
      }
      else
      {
        Node* cur = _node;
        Node* parent = _node->_parent;
        while (parent && cur == parent->_right)
        {
          cur = cur->_parent;
          parent = parent->_parent;
        }
        _node = parent;
      }
      return *this;
    }
    bool operator!=(const Self& s)
    {
      return _node != s._node;
    }
    bool operator==(const Self& s)
    {
      return _node == s._node;
    }
  };

二、改造红黑树

namespace Jinger
{
  enum Colour//结点颜色
  {
    RED,
    BLACK,
  };
  template<class K,class V>
  struct RBTreeNode//红黑树结点
  {
    pair<K, V> _kv;
    typedef RBTreeNode<K, V> Node;
    RBTreeNode(const pair<K,V>& kv)
      :_kv(kv)
      , _parent(nullptr)
      , _left(nullptr)
      , _right(nullptr)
      , _colour(RED)
    {}
    Node* _parent;
    Node* _left;
    Node* _right;
    Colour _colour;
  };
  template<class K, class V>
  struct __RBTreeIterator//迭代器
  {
    typedef RBTreeNode<K,V> Node;
    typedef __RBTreeIterator<K,V> Self;
    Node* _node;
    __RBTreeIterator(Node* node)
      :_node(node)
    {}
    pair<K,V>& operator*()
    {
      return _node->_kv;
    }
    pair<K, V>* operator->()
    {
      return &_node->_kv;
    }
    Self& operator++()
    {
      if (_node->_right)
      {
        _node = _node->_right;
      }
      else
      {
        Node* parent = _node->_parent;
        if (_node == parent->_left)
        {
          _node = parent;
        }
        else
        {
          while (parent && _node == parent->_right)
          {
            _node = parent;
            parent = parent->_parent;
          }
          _node = parent;
        }
      }
      return *this;
    }
    bool operator!=(const Self& s)
    {
      return _node != s._node;
    }
  };
  template<class K,class V>
  struct RBTree
  {
    typedef RBTreeNode<K,V> Node;
    typedef __RBTreeIterator<K,V> iterator;
    RBTree()
      :_root(nullptr)
    {}
    //左旋
    void RotateL(Node* parent)
    {
      Node* SubR = parent->_right;
      Node* SubRL = SubR->_left;
      parent->_right = SubRL;
      if (SubRL)
      {
        SubRL->_parent = parent;
      }
      Node* Grandpa = parent->_parent;
      SubR->_left = parent;
      parent->_parent = SubR;
      if (!Grandpa)
      {
        _root = SubR;
        SubR->_parent = nullptr;
      }
      else
      {
        if (parent == Grandpa->_left)
        {
          Grandpa->_left = SubR;
        }
        else
        {
          Grandpa->_right = SubR;
        }
      }
      SubR->_parent = Grandpa;
    }
    //右旋
    void RotateR(Node* parent)
    {
      Node* SubL = parent->_left;
      Node* SubLR = SubL->_right;
      Node* Grandpa = parent->_parent;
      parent->_parent = SubL;
      parent->_left = SubLR;
      if (SubLR)
      {
        SubLR->_parent = parent;
      }
      if (!Grandpa)
      {
        _root = SubL;
        SubL->_parent = nullptr;
      }
      else
      {
        if (parent == Grandpa->_left)
        {
          Grandpa->_left = SubL;
        }
        else
        {
          Grandpa->_right = SubL;
        }
      }
      SubL->_right = parent;
    }
    iterator begin()
    {
      Node* cur = _root;
      while (cur && cur->_left)
      {
        cur = cur->_left;
      }
      return iterator(cur);
    }
    iterator end()
    {
      return iterator(nullptr);
    }
    bool insert(const pair<K, V>& kv)
    {
      Node* newnode = new Node(kv);
      if (!_root)//空树
      {
        _root = newnode;
        _root->_colour = BLACK;
      }
      else
      {
        Node* parent = _root;
        Node* cur = _root;
        while (cur)
        {
          parent = cur;
          if (cur->_kv.first > kv.first)
          {
            cur = cur->_left;
          }
          else if (cur->_kv.first < kv.first)
          {
            cur = cur->_right;
          }
          else
          {
            return false;
          }
        }
        if (parent->_kv.first > kv.first)
        {
          parent->_left = newnode;
        }
        else
        {
          parent->_right = newnode;
        }
        newnode->_parent = parent;
        cur = newnode;
        parent = cur->_parent;
        if (parent->_colour == BLACK)//如果父亲的结点为黑色
        {
          return true;
        }
        while (parent && parent->_colour == RED)//如果parent为空,说明此时cur为根节点(如果调整到父节点为黑色就不需要再调整了)
        {
          Node* g = parent->_parent;//祖父
          Node* u = nullptr;//叔叔结点
          if (parent == g->_left)//如果父亲是祖父的左孩子,那么叔叔是祖父的右孩子
          {
            u = g->_right;
          }
          else
          {
            u = g->_left;
          }
          if (u && u->_colour == RED)
          {
            g->_colour = RED;
            u->_colour = parent->_colour = BLACK;
            cur = g;
            parent = cur->_parent;
          }
          else//叔叔不存在/叔叔的结点为黑色
          {
            //parent是g的右孩子,cur是parent的右孩子(左单旋)
            if (parent == g->_right && cur == parent->_right)
            {
              RotateL(g);
              parent->_colour = BLACK;
              g->_colour = RED;
            }
            //parent是g的左孩子,cur是parent的左孩子(右单旋)
            else if (parent == g->_left && cur == parent->_left)
            {
              RotateR(g);
              parent->_colour = BLACK;
              g->_colour = RED;
            }
            //parent是g的左孩子,cur是parent的右孩子(左右双旋)
            else if (parent == g->_left && cur == parent->_right)
            {
              RotateL(parent);
              RotateR(g);
              cur->_colour = BLACK;
              g->_colour = RED;
            }
            //parent是g的右孩子,cur是parent的左孩子(右左双旋)
            else if (parent == g->_right && cur == parent->_left)
            {
              RotateR(parent);
              RotateL(g);
              cur->_colour = BLACK;
              g->_colour = RED;
            }
            break;
          }
        }
      }
      _root->_colour = BLACK;//性质2要求根节点的颜色为黑色
      return true;
    }
    void inoder()
    {
      _inorder(_root);
    }
    void _inorder(Node* root)
    {
      if (!root) return;
      _inorder(root->_left);
      cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second<< "  ";
      _inorder(root->_right);
    }
    bool _isbalance(Node* root, int count, const int& leftcount)
    {
      if (root == nullptr)
      {
        if (count != leftcount)
        {
          cout << "每条路径黑色结点数不相同,违反了性质4" << endl;
          return false;
        }
        else
        {
          return true;
        }
      }
      if (root->_colour == RED && root->_parent->_colour == RED)
      {
        cout << "父亲结点和cur都是红色,违反了性质3" << endl;
        return false;
      }
      if (root->_colour == BLACK)
      {
        count++;
      }
      bool left = _isbalance(root->_left, count, leftcount);
      bool right = _isbalance(root->_right, count, leftcount);
      return left && right;
    }
    bool isBalance()
    {
      if (_root == nullptr)
      {
        return true;
      }
      if (_root->_colour == RED)
      {
        cout << "根节点为红色,违反了性质2" << endl;
        return false;
      }
      int leftcount = 0;
      Node* cur = _root;
      while (cur->_left)
      {
        if (cur->_colour == BLACK)
        {
          leftcount++;
        }
        cur = cur->_left;
      }
      cout << leftcount << endl;
     return _isbalance(_root, 0, leftcount);
    }
  private:
    Node* _root;
  };
}

三、map的模拟实现

map的底层结构就是一个红黑树,因此在map中直接封装一个红黑树,然后包装一下它的借口即可。

namespace Jinger
{
  template<class K, class V>
  class Map
  {
    struct MapKeyOfT
    {
      const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
      {
        return kv.first;
      }
    };
  public:
    typedef typename RBTree<K, pair< const K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator;
    iterator begin()
    {
      return _t.begin();
    }
    iterator end()
    {
      return _t.end();
    }
    pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
    {
      return _t.insert(kv);
    }
    V& operator[](const K& k)
    {
      pair<iterator, bool> ret = _t.insert(make_pair(k, V()));
      return ret.first->second;
    }
    iterator& find(const K& k)
    {
      _t.find(k);
    }
  private:
    Jinger::RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
  };
}

四、set的模拟实现

set的底层结构就是一个红黑树,因此在map中直接封装一个红黑树,然后包装一下它的借口即可。

namespace Jinger
{
  template<class K>
  class set
  {
    struct SetKeyOfT
    {
      const K& operator()(const K& key)
      {
        return key;
      }
    };
  public:
    typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator iterator;
    typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;
    iterator begin() const
    {
      return _t.begin();
    }
    iterator end() const
    {
      return _t.end();
    }
    pair<iterator, bool> insert(const K& key)
    {
      pair<typename RBTree<K,K,SetKeyOfT>::iterator,bool>  ret = _t.insert(key);
      return pair<iterator, bool>(ret.first, ret.second);
    }
  private:
    RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
  };
}

总结

以上就是今天要讲的内容,本文介绍了如何用红黑树模拟实现map和set的相关概念。本文作者目前也是正在学习C++相关的知识,如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分,欢迎大家在评论区指出,也欢迎大家在评论区提问、交流。

最后,如果本篇文章对你有所启发的话,希望可以多多支持作者,谢谢大家!

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