C++ STL中哈希表Map 與 hash_map 介紹

C++ STL中哈希表Map 與 hash_map 介紹

0 為什麼需要hash_map

用過map吧？map提供一個很常用的功能，那就是提供key-value的存儲和查找功能。例如，我要記錄一個人名和相應的存儲，而且隨時增加，要快速查找和修改：

岳不群－華山派掌門人，人稱君子劍 張三豐－武當掌門人，太極拳創始人 東方不敗－第一高手，葵花寶典 ...

這些信息如果保存下來並不復雜，但是找起來比較麻煩。例如我要找"張三豐"的信息，最傻的方法就是取得所有的記錄，然後按照名字一個一個比較。如果要速度快，就需要把這些記錄按照字母順序排列，然後按照二分法查找。但是增加記錄的時候同時需要保持記錄有序，因此需要插入排序。考慮到效率，這就需要用到二叉樹。講下去會沒完沒了，如果你使用STL 的map容器，你可以非常方便的實現這個功能，而不用關心其細節。關於map的數據結構細節，感興趣的朋友可以參看學習STL map, STL set之數據結構基礎。看看map的實現:

#include 

不覺得用起來很easy嗎？而且效率很高，100萬條記錄，最多也只要20次的string.compare的比較，就能找到你要找的記錄;200萬條記錄事，也只要用21次的比較。

速度永遠都滿足不了現實的需求。如果有100萬條記錄，我需要頻繁進行搜索時，20次比較也會成為瓶頸，要是能降到一次或者兩次比較是否有可能？而且當記錄數到200萬的時候也是一次或者兩次的比較，是否有可能？而且還需要和map一樣的方便使用。

答案是肯定的。這時你需要has_map. 雖然hash_map目前並沒有納入C++ 標准模板庫中，但幾乎每個版本的STL都提供了相應的實現。而且應用十分廣泛。在正式使用hash_map之前，先看看hash_map的原理。

1 數據結構：hash_map原理

這是一節讓你深入理解hash_map的介紹，如果你只是想囫囵吞棗，不想理解其原理，你倒是可以略過這一節，但我還是建議你看看，多了解一些沒有壞處。

hash_map基於hash table（哈希表）。 哈希表最大的優點，就是把數據的存儲和查找消耗的時間大大降低，幾乎可以看成是常數時間；而代價僅僅是消耗比較多的內存。然而在當前可利用內存越來越多的情況下，用空間換時間的做法是值得的。另外，編碼比較容易也是它的特點之一。

其基本原理是：使用一個下標范圍比較大的數組來存儲元素。可以設計一個函數（哈希函數，也叫做散列函數），使得每個元素的關鍵字都與一個函數值（即數組下標，hash值）相對應，於是用這個數組單元來存儲這個元素；也可以簡單的理解為，按照關鍵字為每一個元素“分類”，然後將這個元素存儲在相應“類”所對應的地方，稱為桶。

但是，不能夠保證每個元素的關鍵字與函數值是一一對應的，因此極有可能出現對於不同的元素，卻計算出了相同的函數值，這樣就產生了“沖突”，換句話說，就是把不同的元素分在了相同的“類”之中。 總的來說，“直接定址”與“解決沖突”是哈希表的兩大特點。

hash_map，首先分配一大片內存，形成許多桶。是利用hash函數，對key進行映射到不同區域（桶）進行保存。其插入過程是：

得到key通過hash函數得到hash值得到桶號(一般都為hash值對桶數求模)存放key和value在桶內。

其取值過程是:

得到key通過hash函數得到hash值得到桶號(一般都為hash值對桶數求模)比較桶的內部元素是否與key相等，若都不相等，則沒有找到。取出相等的記錄的value。

hash_map中直接地址用hash函數生成，解決沖突，用比較函數解決。這裡可以看出，如果每個桶內部只有一個元素，那麼查找的時候只有一次比較。當許多桶內沒有值時，許多查詢就會更快了(指查不到的時候).

由此可見，要實現哈希表, 和用戶相關的是：hash函數和比較函數。這兩個參數剛好是我們在使用hash_map時需要指定的參數。

2 hash_map 使用

2.1 一個簡單實例

不要著急如何把"岳不群"用hash_map表示，我們先看一個簡單的例子：隨機給你一個ID號和ID號相應的信息，ID號的范圍是1～2的31次方。如何快速保存查找。

#include 
#include 
using namespace std;
int main(){
        hash_map mymap;
        mymap[9527]="唐伯虎點秋香";
        mymap[1000000]="百萬富翁的生活";
        mymap[10000]="白領的工資底線";
        ...
        if(mymap.find(10000) != mymap.end()){
                ...
        }

夠簡單，和map使用方法一樣。這時你或許會問？hash函數和比較函數呢？不是要指定麼？你說對了，但是在你沒有指定hash函數和比較函數的時候，你會有一個缺省的函數，看看hash_map的聲明，你會更加明白。下面是SGI STL的聲明：

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

也就是說，在上例中，有以下等同關系：

... hash_map mymap; //等同於: hash_map, equal_to > mymap;

Alloc我們就不要取關注太多了(希望深入了解Allocator的朋友可以參看標准庫 STL ：Allocator能做什麼)

hash_map類在頭文件hash_map中，和所有其它的C++標准庫一樣，頭文件沒有擴展名。如下聲明：

 

#include   
using namespace std;  
using namespace stdext;  

hash_map是一個聚合類，它繼承自_Hash類，包括一個vector，一個list和一個pair，其中vector用於保存桶，list用於進行沖突處理，pair用於保存key->value結構，簡要地偽碼如下：

 

 

class hash_map  
{  
private:  
    typedef pair<_Tkey, _Tval> hash_pair;  
    typedef list    hash_list;  
    typedef vector  hash_table;  
};  

當然，這只是一個簡單模型，C++標准庫的泛型模版一向以嵌套復雜而聞名，初學時看類庫，無疑天書啊。微軟的hash_map類還聚合了hash_compare仿函數類，hash_compare類裡又聚合了less仿函數類，亂七八糟的。

 

2.2 hash_map 的hash函數

hash< int>到底是什麼樣子？看看源碼:

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

原來是個函數對象。在SGI STL中，提供了以下hash函數：

struct hash
struct hash
struct hash 
struct hash 
struct hash
struct hash
struct hash 
struct hash 
struct hash
struct hash 
struct hash

也就是說，如果你的key使用的是以上類型中的一種，你都可以使用缺省的hash函數。當然你自己也可以定義自己的hash函數。對於自定義變量，你只能如此，例如對於string，就必須自定義hash函數。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);
        }
};
//如果你希望利用系統定義的字符串hash函數，你可以這樣寫：
struct str_hash{
        size_t operator()(const string& str) const
        {
                return __stl_hash_string(str.c_str());
        }
};

 

在聲明自己的哈希函數時要注意以下幾點：

使用struct，然後重載operator().返回是size_t參數是你要hash的key的類型。函數是const類型的。

如果這些比較難記，最簡單的方法就是照貓畫虎，找一個函數改改就是了。

現在可以對開頭的"岳不群"進行哈希化了. 直接替換成下面的聲明即可：

map namemap; //改為： hash_map namemap;

其他用法都不用邊。當然不要忘了吧str_hash的聲明以及頭文件改為hash_map。

你或許會問：比較函數呢？別著急，這裡就開始介紹hash_map中的比較函數。

2.3 hash_map 的比較函數

在map中的比較函數，需要提供less函數。如果沒有提供，缺省的也是less< Key> 。在hash_map中，要比較桶內的數據和key是否相等，因此需要的是是否等於的函數:equal_to< Key> 。先看看equal_to的源碼：

//本代碼可以從SGI STL
//先看看binary_function 函數聲明，其實只是定義一些類型而已。
template 
struct binary_function {
        typedef _Arg1 first_argument_type;
        typedef _Arg2 second_argument_type;
        typedef _Result result_type;
};
//看看equal_to的定義：
template 
struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>
{
        bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }
};

如果你使用一個自定義的數據類型，如struct mystruct, 或者const char* 的字符串，如何使用比較函數？使用比較函數，有兩種方法. 第一種是：重載==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) ;
        }
};
這樣，就可以使用equal_to< mystruct>作為比較函數了。另一種方法就是使用函數對象。自定義一個比較函數體：
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, compare_str> StrIntMap;
StrIntMap namemap;
namemap["岳不群"]="華山派掌門人，人稱君子劍";
namemap["張三豐"]="武當掌門人，太極拳創始人";
namemap["東方不敗"]="第一高手，葵花寶典";

2.4 hash_map 函數

hash_map的函數和map的函數差不多。具體函數的參數和解釋，請參看：STL 編程手冊：Hash_map，這裡主要介紹幾個常用函數。

hash_map(size_type n) 如果講究效率，這個參數是必須要設置的。n 主要用來設置hash_map 容器中hash桶的個數。桶個數越多，hash函數發生沖突的概率就越小，重新申請內存的概率就越小。n越大，效率越高，但是內存消耗也越大。const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找，輸入為鍵值，返回為迭代器。data_type& operator[](const key_type& k) . 這是我最常用的一個函數。因為其特別方便，可像使用數組一樣使用。不過需要注意的是，當你使用[key ]操作符時，如果容器中沒有key元素，這就相當於自動增加了一個key元素。因此當你只是想知道容器中是否有key元素時，你可以使用find。如果你希望插入該元素時，你可以直接使用[]操作符。insert 函數。在容器中不包含key值時，insert函數和[]操作符的功能差不多。但是當容器中元素越來越多，每個桶中的元素會增加，為了保證效率，hash_map會自動申請更大的內存，以生成更多的桶。因此在insert以後，以前的iterator有可能是不可用的。erase 函數。在insert的過程中，當每個桶的元素太多時，hash_map可能會自動擴充容器的內存。但在sgi stl中是erase並不自動回收內存。因此你調用erase後，其他元素的iterator還是可用的。

3 相關hash容器

hash 容器除了hash_map之外，還有hash_set, hash_multimap, has_multiset, 這些容器使用起來和set, multimap, multiset的區別與hash_map和map的區別一樣，我想不需要我一一細說了吧。

4 其他

這裡列幾個常見問題，應該對你理解和使用hash_map比較有幫助。

4.1 hash_map和map的區別在哪裡？

構造函數。hash_map需要hash函數，等於函數；map只需要比較函數(小於函數).存儲結構。hash_map采用hash表存儲，map一般采用紅黑樹(RB Tree)實現。因此其memory數據結構是不一樣的。

4.2 什麼時候需要用hash_map，什麼時候需要用map?

總體來說，hash_map 查找速度會比map快，而且查找速度基本和數據數據量大小，屬於常數級別;而map的查找速度是log(n)級別。並不一定常數就比log(n)小，hash還有hash函數的耗時，明白了吧，如果你考慮效率，特別是在元素達到一定數量級時，考慮考慮hash_map。但若你對內存使用特別嚴格，希望程序盡可能少消耗內存，那麼一定要小心，hash_map可能會讓你陷入尴尬，特別是當你的hash_map對象特別多時，你就更無法控制了，而且hash_map的構造速度較慢。

現在知道如何選擇了嗎？權衡三個因素: 查找速度, 數據量, 內存使用。

這裡還有個關於hash_map和map的小故事

4.3 如何在hash_map中加入自己定義的類型?

你只要做兩件事, 定義hash函數，定義等於比較函數。下面的代碼是一個例子：

#include 
#include 
#include 

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(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 hmap;
        ClassA a1(12);
        hmap[a1]="I am 12";
        ClassA a2(198877);
        hmap[a2]="I am 198877";
        
        cout<

4.4如何用hash_map替換程序中已有的map容器？

這個很容易，但需要你有良好的編程風格。建議你盡量使用typedef來定義你的類型：

typedef map KeyMap;

當你希望使用hash_map來替換的時候，只需要修改:

typedef hash_map KeyMap;

其他的基本不變。當然，你需要注意是否有Key類型的hash函數和比較函數。

4.5為什麼hash_map不是標准的？

具體為什麼不是標准的，我也不清楚，有個解釋說在STL加入標准C++之時，hash_map系列當時還沒有完全實現，以後應該會成為標准。如果誰知道更合理的解釋，也希望告訴我。但我想表達的是，正是因為hash_map不是標准的，所以許多平台上安裝了g++編譯器，不一定有hash_map的實現。我就遇到了這樣的例子。因此在使用這些非標准庫的時候，一定要事先測試。另外，如果考慮到平台移植，還是少用為佳。

常見問題：

本來想用hash_map實現大數量的快速查找，後來發現效率並不快，而且有些問題也很不解，比如看如下代碼：

#include 
#include 
using namespace std;
int main(){
hash_map hm(3); //初始化hash_map的桶的個數
hm.insert(make_pair(0,"hello"));
hm.insert(make_pair(1,"ok"));
hm.insert(make_pair(2,"bye"));
hm.insert(make_pair(3,"world"));
cout<
#include