【C++】map的模拟实现

前言：

C++中的map是标准模板库（STL）中的一种关联容器，它存储的是键值对（key-value pairs），其中每个键都是唯一的。

map的特点

**值唯一性：**map中的每个键只能出现一次，如果尝试插入具有相同键的新元素，则会覆盖原有键对应的值。自动排序：map中的元素是根据键值自动排序的，默认情况下是按照键的升序排序。动态调整：插入和删除操作会自动调整内部结构以保持有序性和平衡性。支持复杂数据类型：map的键和值可以是任意数据类型，包括自定义类型。迭代器支持：map提供双向迭代器，可以遍历容器中的所有元素。**成员函数丰富：**map提供了一系列成员函数，如insert、erase、find、count、begin、end等，用于执行各种操作。空间和性能开销：由于使用红黑树，map可能会有较大的空间开销，并且相比于哈希表（如unordered_map），插入和删除操作的时间复杂度为对数级别，可能在某些高性能要求的应用中不如哈希表高效

map的实现 参考：红黑树

map的存储结构

由于set和map是公用一棵树，set是K 、map是KV的结构，为了适应map的结构，set做出一定的改变内部类是为了取到map内所存储的数据在set的map中 set所存储的是key而map是pair。这里取到的值是first。

template<class K, class V>    class map    {        struct mapofT        {            const K& operator()(const pair<K, V>& kv)            {                return kv.first;            }        };        public:        private:        RBTree<K, pair<const K, V>, mapofT> _t;    };

map的插入

插入实现的基本步骤

查找插入位置**：map内部使用红黑树来维护元素的顺序，因此插入操作首先需要在树中找到正确的位置。这通常涉及到比较键值并沿着树进行遍历。

**创建节点：**一旦找到了插入位置，就会创建一个新的节点来存储要插入的键值对。

**插入节点：**新创建的节点会被插入到红黑树中的正确位置，这可能涉及到树的旋转和重新着色操作，以保持红黑树的平衡性质。

**返回插入结果：**insert函数返回一个pair，其中第一个元素是一个迭代器，指向新插入的元素（如果键不存在），或者指向已存在键的元素；第二个元素是一个布尔值，指示插入是否成功（即键是否不存在）。

pair<iterator,bool> insert(const T& data){if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;return make_pair(iterator(_root),true);}Node* parent = nullptr;Node* cur = _root;keyofT kot;while (cur){if (kot(data) > kot(cur->_data)){parent = cur;cur = cur->_right;}else if (kot(data) < kot(cur->_data)){parent = cur;cur = cur->_left;}else{return make_pair(iterator(cur), false);}}cur = new Node(data);Node* newnode = cur;cur->_col = RED;if (kot(data) < kot(parent->_data)){parent->_left = cur;}else{parent->_right = cur;}cur->_parent = parent;while (parent && parent->_col == RED){Node* grandparent = parent->_parent;if (parent == grandparent->_left){Node* uncle = grandparent->_right;if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;cur = grandparent;parent = cur->_parent;}else//uncle is not or black{if (cur == parent->_left){RotateR(grandparent);grandparent->_col = RED;parent->_col = BLACK;}else{RotateL(parent);RotateR(grandparent);grandparent->_col = RED;cur->_col = BLACK;}break;}}else//parent == grandparent->_right{Node* uncle = grandparent->_left;if (uncle && uncle->_col == RED){grandparent->_col = RED;parent->_col = uncle->_col = BLACK;cur = grandparent;parent = cur->_parent;}else{if (cur == parent->_right){RotateL(grandparent);parent->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}else{RotateR(parent);RotateL(grandparent);cur->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}}break;}}_root->_col = BLACK;return make_pair(iterator(newnode),true );}

map的查找

调用find成员函数，传入要查找的键作为参数。find函数在内部遍历红黑树，使用键值进行比较，寻找匹配的元素。如果找到了匹配的键，find返回一个指向该元素的迭代器。如果没有找到匹配的键，find返回end()迭代器。红黑树的查找类似于，AVL的查找。本质上是一样的。

Node* find(const T& data){    keyofT kot;    Node* cur = _root;    while (cur)    {        if (kot(data) > kot(cur->_data))        {            cur = cur->_right;        }        else if (kot(data) < kot(cur->_data))        {            cur = cur->_left;        }        else        {            return cur;        }    }    return nullptr;}

map重载[]

STL中也是调用insert。传入K返回V的形式。

V& operator[] (const K& key){    pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key,V()));    return ret.first->second;}

map的迭代器

C++中的map是一个关联容器，它存储键值对（key-value pairs），并且根据键（key）来快速检索值（value）。map的迭代器是一种指针，指向map中的元素。map的迭代器有两种类型：const_iterator和iterator。const_iterator用于只读访问，而iterator可以读写。

迭代器的特性

map的迭代器遵循双向迭代器的要求，可以向前和向后遍历。

迭代器在map被修改时（例如插入或删除操作）可能会失效。

map的迭代器可以通过解引用操作符（*）来访问指向的元素，或者使用箭头操作符（->）来访问元素的成员。

set迭代器类似于list的迭代器

迭代器的封装

主要区别在于++和--Ptr是T*，Ref是T&，设置这么多的模板参数是为适配出const的迭代器

template<class T,class Ptr,class Ref>struct TreeIterator{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef TreeIterator<T,Ptr,Ref> self;typedef TreeIterator<T, T*, T&> Iterator;Node* _node;TreeIterator(Node* node):_node(node){}TreeIterator(const Iterator& it):_node(it._node){}Ref operator* (){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator != (const self & s) const {return _node!= s._node;}bool operator== (const self & s) const {return _node == s._node;}};

前置++

前置++ 的本质上就是中序的遍历，左子树-根-右子树如果右子树存在就去右子树的最左节点_node 不是右节点那么，证明子树的左右节点均访问完成，需要访问祖父的节点

self& operator++(){    if (_node->_right)    {        Node* cur = _node->_right;        while (cur->_left)        {            cur = cur->_left;        }        _node = cur;    }    else    {        Node* cur = _node;        Node* parent = _node->_parent;        while (parent)        {            if (cur == parent->_left)            {                break;            }            else            {                cur = cur->_parent;                parent = parent->_parent;            }        }        _node = parent;    }    return *this;}

前置–

前置-- 是前置++的镜像的一个顺序的访问，右子树-根-左子树方法是类似于前置++

self& operator--(){if (_node->_left){Node* cur = _node->_right;while (cur->_left){cur = cur->_right;}_node = cur;}else{Node* cur = _node;Node* parent = _node->_parent;while (parent && parent->_left){cur = cur->_parent;parent = parent->_parent;}_node = parent;}return *this;}

迭代器

C++中的map是一种关联容器，它存储键值对（key-value pairs），并且按照键的顺序自动排序。map的迭代器用于遍历容器中的元素。map提供了多种迭代器成员函数，包括：

**begin()：**返回指向map中第一个元素的迭代器。

**end()：**返回指向map容器末尾位置的迭代器，这个位置不包含任何元素，用作遍历结束的标志。

**rbegin()：**返回指向map最后一个元素的反向迭代器。

**rend()：**返回指向map第一个元素的反向迭代器。

map的迭代器是const_iterator类型的，这意味着它们提供对元素的只读访问。如果需要修改元素，可以使用iterator类型

map的迭代器提供了向前和向后遍历的能力，但不支持随机访问迭代器的所有操作，如算术运算

前面是将迭代器封装，因为正常的++或者–已不可以支持自定义类型的加减

在红黑树的类中实现，在实现set时候只需要调用，在这里面可以认为红黑树是容器的适配器

typedef TreeIterator<T, T*, T&> iterator;typedef TreeIterator<T,const T*,const T&> const_iterator;iterator begin(){    Node* leftmin = _root;    while (leftmin->_left)    {        leftmin = leftmin->_left;    }    return iterator(leftmin);}iterator end(){    return iterator(nullptr);}const_iterator begin()const {    Node* leftmin = _root;    while (leftmin->_left)    {        leftmin = leftmin->_left;    }    return const_iterator(leftmin);}const_iterator end()const {    return const_iterator(nullptr);}

源码

map

#pragma once#include"RBTree.h"#include<iostream>using namespace std;namespace Map{template<class K, class V>class map{struct mapofT{const K& operator()(const pair<K, V>& kv){return kv.first;}};public:typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, mapofT>::iterator iterator;typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, mapofT>::const_iterator const_iterator;V& operator[] (const K& key){pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key,V()));return ret.first->second;}pair<iterator,bool> insert(const pair<K,V>& kv){return _t.insert(kv);}iterator begin(){return _t.begin();}iterator end(){return _t.end();}const_iterator begin()const{return _t.begin();}const_iterator end()const{return _t.end();}private:RBTree<K, pair<const K, V>, mapofT> _t;};}

红黑树

#pragma once#include<iostream>#include<assert.h>#include<utility>using namespace std;enum Colour{RED,BLACK};template< class T>class RBTreeNode{public:RBTreeNode<T>* _left;RBTreeNode<T>* _right;RBTreeNode<T>* _parent;T _data;Colour _col;RBTreeNode(const T& data):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _col(RED), _data(data){}}; template<class T,class Ptr,class Ref>struct TreeIterator{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef TreeIterator<T,Ptr,Ref> self;typedef TreeIterator<T, T*, T&> Iterator;Node* _node;TreeIterator(Node* node):_node(node){}TreeIterator(const Iterator& it):_node(it._node){}Ref operator* (){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator != (const self & s) const {return _node!= s._node;}bool operator== (const self & s) const {return _node == s._node;}self& operator--(){if (_node->_left){Node* cur = _node->_right;while (cur->_left){cur = cur->_right;}_node = cur;}else{Node* cur = _node;Node* parent = _node->_parent;while (parent && parent->_left){cur = cur->_parent;parent = parent->_parent;}_node = parent;}return *this;}self& operator++(){if (_node->_right){Node* cur = _node->_right;while (cur->_left){cur = cur->_left;}_node = cur;}else{Node* cur = _node;Node* parent = _node->_parent;while (parent){if (cur == parent->_left){break;}else{cur = cur->_parent;parent = parent->_parent;}}_node = parent;}return *this;}};template<class K, class T,class keyofT>class RBTree{typedef RBTreeNode<T> Node;public:typedef TreeIterator<T, T*, T&> iterator;typedef TreeIterator<T,const T*,const T&> const_iterator;iterator begin(){Node* leftmin = _root;while (leftmin->_left){leftmin = leftmin->_left;}return iterator(leftmin);}iterator end(){return iterator(nullptr);}const_iterator begin()const {Node* leftmin = _root;while (leftmin->_left){leftmin = leftmin->_left;}return const_iterator(leftmin);}const_iterator end()const {return const_iterator(nullptr);}Node* find(const T& data){keyofT kot;Node* cur = _root;while (cur){if (kot(data) > kot(cur->_data)){cur = cur->_right;}else if (kot(data) < kot(cur->_data)){cur = cur->_left;}else{return cur;}}return nullptr;}pair<iterator,bool> insert(const T& data){if (_root == nullptr){_root = new Node(data);_root->_col = BLACK;return make_pair(iterator(_root),true);}Node* parent = nullptr;Node* cur = _root;keyofT kot;while (cur){if (kot(data) > kot(cur->_data)){parent = cur;cur = cur->_right;}else if (kot(data) < kot(cur->_data)){parent = cur;cur = cur->_left;}else{return make_pair(iterator(cur), false);}}cur = new Node(data);Node* newnode = cur;cur->_col = RED;if (kot(data) < kot(parent->_data)){parent->_left = cur;}else{parent->_right = cur;}cur->_parent = parent;while (parent && parent->_col == RED){Node* grandparent = parent->_parent;if (parent == grandparent->_left){Node* uncle = grandparent->_right;if (uncle && uncle->_col == RED){parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;cur = grandparent;parent = cur->_parent;}else//uncle is not or black{if (cur == parent->_left){RotateR(grandparent);grandparent->_col = RED;parent->_col = BLACK;}else{RotateL(parent);RotateR(grandparent);grandparent->_col = RED;cur->_col = BLACK;}break;}}else//parent == grandparent->_right{Node* uncle = grandparent->_left;if (uncle && uncle->_col == RED){grandparent->_col = RED;parent->_col = uncle->_col = BLACK;cur = grandparent;parent = cur->_parent;}else{if (cur == parent->_right){RotateL(grandparent);parent->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}else{RotateR(parent);RotateL(grandparent);cur->_col = BLACK;grandparent->_col = RED;}}break;}}_root->_col = BLACK;return make_pair(iterator(newnode),true );}void RotateR(Node* parent){Node* cur = parent->_left;Node* curright = cur->_right;parent->_left = curright;if (curright){curright->_parent = parent;}cur->_right = parent;Node* ppnode = parent->_parent;parent->_parent = cur;if (ppnode == nullptr){_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent){ppnode->_left = cur;}else{ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}}void RotateL(Node* parent){Node* cur = parent->_right;Node* curleft = cur->_left;parent->_right = curleft;if (curleft){curleft->_parent = parent;}cur->_left = parent;Node* ppnode = parent->_parent;parent->_parent = cur;if (parent == _root){_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent){ppnode->_left = cur;}else{ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}}bool is_balance(){return is_balance(_root);}bool Checknum(Node* root, int blacknum, int stdnum){if (root == nullptr){if (blacknum != stdnum){return false;}return true;}if (root->_col == BLACK){++blacknum;}return Checknum(root->_left, blacknum, stdnum)&& Checknum(root->_right, blacknum, stdnum);}bool is_balance(Node* root){if (root == nullptr){return true;}if (root->_col == RED){return false;}int stdnum = 0;Node* cur = root;while (cur){if (cur->_col == BLACK){++stdnum;}cur = cur->_left;}return Checknum(root, 0, stdnum);}private:Node* _root = nullptr;};