C++：set和map的底層封裝模擬實現

目錄

底層對比：

底層紅黑樹結構和set、map：?

底層模擬：

傳值調用：

迭代器：

operator ++（）

?find函數

operator（）?、仿函數?

set和map的仿函數 ：

圖解：?

insert函數：

構造函數，析構函數：?

?析構函數：

拷貝構造函數：?

賦值函數：?

map的封裝：

set的封裝：?

紅黑樹的修改：?


底層對比：

上圖以kv模型為例?

通過底層可以看出：

  • set和map的底層調用都是調用了紅黑樹 rb_tree
  • set和map在底層最大的區別就是value的不同，set的value仍然是key類型的，但是map的value是pair<const key，T>類型的
  • 也因為類型的不同，二者使用的template 類模板也相差了一個class T ，而這個class T表示的其實就是map的value中的second的數值類型
  • 同時因為value的不同，所以導致了map和set在紅黑樹中存儲的數據也并不相同

底層紅黑樹結構和set、map：?

底層模擬：

傳值調用：

迭代器：

  • 不論是set還是map 的迭代器，關鍵得是看紅黑樹的迭代器
  • 樹的內部迭代器其實就是和鏈表相差不多，需要進行一個內部的重載調用
  • 也就是說 operator-> operator * operator ++ operator --都是需要進行內部重載，然后進行封裝的！
 RBTree.htemplate<class T, class Ref, class Ptr>
struct __RBTreeIterator
{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef __RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;__RBTreeIterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}Self& operator++(){if (_node->_right){// 下一個，右樹最左節點Node* leftMin = _node->_right;while (leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}_node = leftMin;}else{// 下一個，孩子等于父親左的那個祖先Node* cur = _node;Node* parent = cur->_parent;while (parent && cur == parent->_right){cur = parent;parent = parent->_parent;}_node = parent;}return *this;}
};

operator ++（）

是實現迭代器的難點之一，因為紅黑樹的本質其實是二叉搜索樹，所以遍歷是使用中序遍歷，所以++和--都是使用 中序遍歷的節點，如下圖所示，it所在位置的下一個節點是15?

?首先我們需要知道，中序遍歷的過程是 左子樹 根節點 右子樹 所以可以通過下圖右可以得出：

  • 當前it所在的位置是它父親節點的左節點，那么下一個需要遍歷的節點就是it的父親節點
  • 當前節點的右子樹是空的，那么表示這個節點的右子樹結束遍歷，下一個需要遍歷和++遞達的節點，應該往上進行查找祖先節點
  • 如果當前節點的右子樹是空的，且當前節點是其父親節點的右節點，那么表示要去父親節點更往上的方向尋找下一個需要遍歷的節點
  • 如果當前節點的右子樹是空的/遍歷完了，且當前節點是其父親節點的左節點，那么表示當前節點結束，返回父親節點且下一個訪問的節點就是父親節點，且同時訪問完后需要取父親節點的右子樹中進行遍歷和尋找下一個++位置的節點
  • 最后一個單獨的處理，那就是走到最后一個節點的時候，走到最后一個節點的右子樹是空的，就一直返回到根節點，這時候就需要給迭代器置空了！

?

  • ++的下一個節點是該節點右子樹中的最左節點！
  • leftMin = node->right 表示進入右子樹中尋找最左節點，當然現在的條件是右子樹存在，如果右子樹存在就是上面，如果不存在就需要往上邊尋找，直到找到某個節點是它父親節點的左節點為止，或者說找到的某個節點，他沒有父親節點它是根節點為止！

  • 要求當前的節點是他父親節點的右節點，如果一直是這樣就需要一直往上走，直到當前節點是它父親節點的左節點時，返回父親節點
  • 且需要注意如果當前節點是根節點，那么它的父親就是空的，空的不能再繼續往上尋找了，所以直接跳出循環，最后返回父親節點！
RBTree.h
//紅黑樹中調動迭代器的函數方法
typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;
typedef __RBTreeIterator<T, const T&, const T*> ConstIterator;Iterator Begin(){Node* leftMin = _root;while (leftMin && leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}return Iterator(leftMin);}Iterator End(){return Iterator(nullptr);}ConstIterator End() const{return ConstIterator(nullptr);}ConstIterator Begin() const{Node* leftMin = _root;while (leftMin && leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}return ConstIterator(leftMin);}

?find函數

RBTree.hIterator Find(const K& key){Node* cur = _root;while (cur){if (cur->_key < key){cur = cur->_right;}else if (cur->_key > key){cur = cur->_left;}else{return Iterator(cur);}}return End();}

operator（）?、仿函數?

?使用仿函數的原因其實是在insert函數中需要使用operator()的原因，因為在insert函數中，需要使用比較大小之間的問題，而為了讓紅黑樹同時適應set和map（主要是針對map的pair內部問題），需要對取值之間進行正確取值的操作。

如上圖所示，在set中data可以直接對于set中的value，但是對于map來說，需要在pair中進行取值，所以map需要一個詳細的對應關系，這就造成了仿函數Key0fT的誕生

RBTree.h//樹的最終的基礎結構
template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{typedef RBTreeNode<T> Node;public:typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef __RBTreeIterator<T, const T&, const T*> ConstIterator;
private:Node* _root = nullptr;
};

set和map的仿函數 ：

        //Myset.hstruct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};//Mymap.hstruct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<K, V>& kv){return kv.first;}};

圖解：?

insert函數：

pair<Iterator, bool> Insert(const T& data){if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;return make_pair(Iterator(_root), true);}KeyOfT kot;//調用了仿函數，方便之后的比較Node* parent = nullptr;Node* cur = _root;while (cur){// K// pair<K, V>// kot對象，是用來取T類型的data對象中的keyif (kot(cur->_data) < kot(data)){parent = cur;cur = cur->_right;}else if (kot(cur->_data) > kot(data)){parent = cur;cur = cur->_left;}else{return make_pair(Iterator(cur), false);}}cur = new Node(data);Node* newnode = cur;cur->_col = RED; // 新增節點給紅色if (kot(parent->_data) < kot(data)){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;// parent的顏色是黑色也結束while (parent && parent->_col == RED){// 關鍵看叔叔Node* grandfather = parent->_parent;if (parent == grandfather->_left){Node* uncle = grandfather->_right;// 叔叔存在且為紅，-》變色即可if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 繼續往上處理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else // 叔叔不存在，或者存在且為黑{if (cur == parent->_left){//     g  //   p   u// c RotateR(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{//      g  //   p     u//      c RotateL(parent);RotateR(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}else{Node* uncle = grandfather->_left;// 叔叔存在且為紅，-》變色即可if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 繼續往上處理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else // 叔叔不存在，或者存在且為黑{// 情況二：叔叔不存在或者存在且為黑// 旋轉+變色//      g//   u     p//            cif (cur == parent->_right){RotateL(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{//		g//   u     p//      cRotateR(parent);RotateL(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}}_root->_col = BLACK;return make_pair(Iterator(newnode), true);}

構造函數，析構函數：?

?析構函數：

~RBTree(){Destroy(_root);_root = nullptr;}private:void Destroy(Node* root){if (root == nullptr)return;Destroy(root->_left);Destroy(root->_right);delete root;root = nullptr;}

拷貝構造函數：?

?拷貝構造函數使用的是前序遍歷，且內部需要三條鏈接的拷貝和構造，也就是左子樹、右子樹、和父親節點，同時也需要進行節點顏色的拷貝操作，所以拷貝構造的內部其實是一個前序遍歷+顏色的拷貝+左右子樹的拷貝和鏈接+遞歸遍歷

RBTree(const RBTree<K, T, KeyOfT>& t){_root = Copy(t._root);}private:Node* Copy(Node* root){//因為要有父親節點的鏈接，所以需要一個反向鏈接//其次也需要進行顏色的拷貝！因為是紅黑樹！if (root == nullptr)return nullptr;Node* newroot = new Node(root->_data);newroot->_col = root->_col;newroot->_left = Copy(root->_left);if (newroot->_left)newroot->_left->_parent = newroot;newroot->_right = Copy(root->_right);if (newroot->_right)newroot->_right->_parent = newroot;return newroot;}

賦值函數：?

//RBTree.hRBTree<K, T, KeyOfT>& operator=(RBTree<K, T, KeyOfT> t){swap(_root, t._root);return *this;}

map的封裝：

namespace bit
{template<class K, class V>class map{struct MapKeyOfT{const K& operator()(const pair<K, V>& kv){return kv.first;}};public:typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::Iterator iterator;typedef typename RBTree<K, const K, MapKeyOfT>::ConstIterator const_iterator;const_iterator begin() const{return _t.Begin();}const_iterator end() const{return _t.End();}iterator begin() {return _t.Begin();}iterator end() {return _t.End();}iterator find(const K& key){return _t.Find(key);}pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv){return _t.Insert(kv);}V& operator[](const K& key){pair<iterator, bool> ret = _t.Insert(make_pair(key, V()));return ret.first->second;}private:RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;};

set的封裝：?

namespace bit
{template<class K>class set{struct SetKeyOfT{const K& operator()(const K& key){return key;}};public:typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::Iterator iterator;typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::ConstIterator const_iterator;const_iterator begin() const{return _t.Begin();}const_iterator end() const{return _t.End();}iterator begin(){return _t.Begin();}iterator end(){return _t.End();}iterator find(const K& key){return _t.Find(key);}pair<iterator, bool> insert(const K& key){return _t.Insert(key);}private:RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;};void PrintSet(const set<int>& s){for (auto e : s){cout << e << endl;}}

紅黑樹的修改：?

?

#pragma once
#include<vector>enum Colour
{RED,BLACK
};template<class T>
struct RBTreeNode
{RBTreeNode<T>* _left;RBTreeNode<T>* _right;RBTreeNode<T>* _parent;T _data;Colour _col;RBTreeNode(const T& data):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _data(data), _col(RED){}
};template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __RBTreeIterator
{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef __RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;__RBTreeIterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}Self& operator++(){if (_node->_right){// 下一個，右樹最左節點Node* leftMin = _node->_right;while (leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}_node = leftMin;}else{// 下一個，孩子等于父親左的那個祖先Node* cur = _node;Node* parent = cur->_parent;while (parent && cur == parent->_right){cur = parent;parent = parent->_parent;}_node = parent;}return *this;}
};template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{typedef RBTreeNode<T> Node;public:typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef __RBTreeIterator<T, const T&, const T*> ConstIterator;RBTree() = default;RBTree(const RBTree<K, T, KeyOfT>& t){_root = Copy(t._root);}// t2 = t1RBTree<K, T, KeyOfT>& operator=(RBTree<K, T, KeyOfT> t){swap(_root, t._root);return *this;}~RBTree(){Destroy(_root);_root = nullptr;}Iterator Begin(){Node* leftMin = _root;while (leftMin && leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}return Iterator(leftMin);}Iterator End(){return Iterator(nullptr);}ConstIterator End() const{return ConstIterator(nullptr);}ConstIterator Begin() const{Node* leftMin = _root;while (leftMin && leftMin->_left){leftMin = leftMin->_left;}return ConstIterator(leftMin);}Iterator Find(const K& key){Node* cur = _root;while (cur){if (cur->_key < key){cur = cur->_right;}else if (cur->_key > key){cur = cur->_left;}else{return Iterator(cur);}}return End();}// 20:10pair<Iterator, bool> Insert(const T& data){if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;return make_pair(Iterator(_root), true);}KeyOfT kot;Node* parent = nullptr;Node* cur = _root;while (cur){// K// pair<K, V>// kot對象，是用來取T類型的data對象中的keyif (kot(cur->_data) < kot(data)){parent = cur;cur = cur->_right;}else if (kot(cur->_data) > kot(data)){parent = cur;cur = cur->_left;}else{return make_pair(Iterator(cur), false);}}cur = new Node(data);Node* newnode = cur;cur->_col = RED; // 新增節點給紅色if (kot(parent->_data) < kot(data)){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;// parent的顏色是黑色也結束while (parent && parent->_col == RED){// 關鍵看叔叔Node* grandfather = parent->_parent;if (parent == grandfather->_left){Node* uncle = grandfather->_right;// 叔叔存在且為紅，-》變色即可if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 繼續往上處理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else // 叔叔不存在，或者存在且為黑{if (cur == parent->_left){//     g  //   p   u// c RotateR(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{//      g  //   p     u//      c RotateL(parent);RotateR(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}else{Node* uncle = grandfather->_left;// 叔叔存在且為紅，-》變色即可if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 繼續往上處理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else // 叔叔不存在，或者存在且為黑{// 情況二：叔叔不存在或者存在且為黑// 旋轉+變色//      g//   u     p//            cif (cur == parent->_right){RotateL(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{//		g//   u     p//      cRotateR(parent);RotateL(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}}_root->_col = BLACK;return make_pair(Iterator(newnode), true);}void RotateR(Node* parent){Node* subL = parent->_left;Node* subLR = subL->_right;parent->_left = subLR;if (subLR)subLR->_parent = parent;subL->_right = parent;Node* ppNode = parent->_parent;parent->_parent = subL;if (parent == _root){_root = subL;_root->_parent = nullptr;}else{if (ppNode->_left == parent){ppNode->_left = subL;}else{ppNode->_right = subL;}subL->_parent = ppNode;}}void RotateL(Node* parent){Node* subR = parent->_right;Node* subRL = subR->_left;parent->_right = subRL;if (subRL)subRL->_parent = parent;subR->_left = parent;Node* ppNode = parent->_parent;parent->_parent = subR;if (parent == _root){_root = subR;_root->_parent = nullptr;}else{if (ppNode->_right == parent){ppNode->_right = subR;}else{ppNode->_left = subR;}subR->_parent = ppNode;}}void InOrder(){_InOrder(_root);cout << endl;}bool IsBalance(){if (_root->_col == RED){return false;}int refNum = 0;Node* cur = _root;while (cur){if (cur->_col == BLACK){++refNum;}cur = cur->_left;}return Check(_root, 0, refNum);}private:Node* Copy(Node* root){if (root == nullptr)return nullptr;Node* newroot = new Node(root->_data);newroot->_col = root->_col;newroot->_left = Copy(root->_left);if (newroot->_left)newroot->_left->_parent = newroot;newroot->_right = Copy(root->_right);if (newroot->_right)newroot->_right->_parent = newroot;return newroot;}void Destroy(Node* root){if (root == nullptr)return;Destroy(root->_left);Destroy(root->_right);delete root;root = nullptr;}bool Check(Node* root, int blackNum, const int refNum){if (root == nullptr){//cout << blackNum << endl;if (refNum != blackNum){cout << "存在黑色節點的數量不相等的路徑" << endl;return false;}return true;}if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED){//cout << root->_kv.first << "存在連續的紅色節點" << endl;return false;}if (root->_col == BLACK){blackNum++;}return Check(root->_left, blackNum, refNum)&& Check(root->_right, blackNum, refNum);}void _InOrder(Node* root){if (root == nullptr){return;}_InOrder(root->_left);cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;_InOrder(root->_right);}private:Node* _root = nullptr;//size_t _size = 0;
};

?

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