0 為什么需要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(yīng)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(chuàng)始人
東方不敗－第一高手，葵花寶典
...
這些信息如果保存下來并不復(fù)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，然后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，然后按照二分法查找。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(xiàn)這個功能，而不用關(guān)心其細節(jié)。關(guān)于map的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)細節(jié)，感興趣的朋友可以參看 學(xué)習(xí)STL map, STL set之數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 。看看map的實現(xiàn):
#include
<map>
#include
<string>
using
namespace
std;
...
map<string, string> namemap;
//增加。。。
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(chuàng)始人
";
namemap["
東方不敗
"]="
第一高手，葵花寶典
";
...
//查找。。
if
(namemap.find("
岳不群
") != namemap.end()){
...
}
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(xiàn)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(shù)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目前并沒有納入C++ 標準模板庫中，但幾乎每個版本的STL都提供了相應(yīng)的實現(xiàn)。而且應(yīng)用十分廣泛。在正式使用hash_map之前，先看看hash_map的原理。
1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：hash_map原理
這是一節(jié)讓你深入理解hash_map的介紹，如果你只是想囫圇吞棗，不想理解其原理，你倒是可以略過這一節(jié)，但我還是建議你看看，多了解一些沒有壞處。
hash_map基于hash table（哈希表）。 哈希表最大的優(yōu)點，就是把數(shù)據(jù)的存儲和查找消耗的時間大大降低，幾乎可以看成是常數(shù)時間；而代價僅僅是消耗比較多的內(nèi)存。然而在當前可利用內(nèi)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(shù)組來存儲元素。可以設(shè)計一個函數(shù)（哈希函數(shù)，也叫做散列函數(shù)），使得每個元素的關(guān)鍵字都與一個函數(shù)值（即數(shù)組下標，hash值）相對應(yīng)，于是用這個數(shù)組單元來存儲這個元素；也可以簡單的理解為，按照關(guān)鍵字為每一個元素“分類”，然后將這個元素存儲在相應(yīng)“類”所對應(yīng)的地方，稱為桶。
但是，不能夠保證每個元素的關(guān)鍵字與函數(shù)值是一一對應(yīng)的，因此極有可能出現(xiàn)對于不同的元素，卻計算出了相同的函數(shù)值，這樣就產(chǎn)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(nèi)存，形成許多桶。是利用hash函數(shù)，對key進行映射到不同區(qū)域（桶）進行保存。其插入過程是：
- 得到key
- 通過hash函數(shù)得到hash值
- 得到桶號(一般都為hash值對桶數(shù)求模)
- 存放key和value在桶內(nèi)。
其取值過程是:
- 得到key
- 通過hash函數(shù)得到hash值
- 得到桶號(一般都為hash值對桶數(shù)求模)
- 比較桶的內(nèi)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(shù)生成，解決沖突，用比較函數(shù)解決。這里可以看出，如果每個桶內(nèi)部只有一個元素，那么查找的時候只有一次比較。當許多桶內(nèi)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(xiàn)哈希表, 和用戶相關(guān)的是：hash函數(shù)和比較函數(shù)。這兩個參數(shù)剛好是我們在使用hash_map時需要指定的參數(shù)。
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(yīng)的信息，ID號的范圍是1～2的31次方。如何快速保存查找。
#include
<hash_map>
#include
<string>
using
namespace
std;
int
main(){
hash_map<
int
, string> mymap;
mymap[9527]="
唐伯虎點秋香
";
mymap[1000000]="
百萬富翁的生活
";
mymap[10000]="
白領(lǐng)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(shù)和比較函數(shù)呢？不是要指定么？你說對了，但是在你沒有指定hash函數(shù)和比較函數(shù)的時候，你會有一個缺省的函數(shù)，看看hash_map的聲明，你會更加明白。下面是SGI STL的聲明：
template
<
class
_Key,
class
_Tp,
class
_HashFcn = hash<_Key>,
class
_EqualKey = equal_to<_Key>,
class
_Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
class
hash_map
{
...
}
也就是說，在上例中，有以下等同關(guān)系：
...
hash_map<
int
, string> mymap;
//等同于:
hash_map<
int
, string, hash<
int
>, equal_to<
int
> > mymap;
Alloc我們就不要取關(guān)注太多了(希望深入了解Allocator的朋友可以參看 標準庫 STL ：Allocator能做什么 )
2.2 hash_map 的hash函數(shù)
hash< int>到底是什么樣子？看看源碼:
struct
hash<
int
> {
size_t
operator
()(
int
__x)
const
{
return
__x; }
};
原來是個函數(shù)對象。在SGI STL中，提供了以下hash函數(shù)：
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(shù)。當然你自己也可以定義自己的hash函數(shù)。對于自定義變量，你只能如此，例如對于string，就必須自定義hash函數(shù)。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(tǒng)定義的字符串hash函數(shù)，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(shù)時要注意以下幾點：
- 使用struct，然后重載operator().
- 返回是size_t
- 參數(shù)是你要hash的key的類型。
- 函數(shù)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(shù)改改就是了。
現(xiàn)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<string, string> namemap;
//改為：
hash_map<string, string, str_hash> 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(shù)呢？別著急，這里就開始介紹hash_map中的比較函數(shù)。
2.3 hash_map 的比較函數(shù)
在map中的比較函數(shù)，需要提供less函數(shù)。如果沒有提供，缺省的也是less< Key> 。在hash_map中，要比較桶內(nèi)的數(shù)據(jù)和key是否相等，因此需要的是是否等于的函數(shù):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(shù)聲明，其實只是定義一些類型而已。
template
<
class
_Arg1,
class
_Arg2,
class
_Result>
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
<
class
_Tp>
struct
equal_to :
public
binary_function<_Tp,_Tp,
bool
>
{
bool
operator
()(
const
_Tp& __x,
const
_Tp& __y)
const
{
return
__x == __y; }
};
如果你使用一個自定義的數(shù)據(jù)類型，如struct mystruct, 或者const char* 的字符串，如何使用比較函數(shù)？使用比較函數(shù)，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(shù)了。另一種方法就是使用函數(shù)對象。自定義一個比較函數(shù)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<
const
char
*, string, hash<
const
char
*>, 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(chuàng)始人
";
namemap["
東方不敗
"]="
第一高手，葵花寶典
";
2.4 hash_map 函數(shù)
hash_map的函數(shù)和map的函數(shù)差不多。具體函數(shù)的參數(shù)和解釋，請參看： STL 編程手冊：Hash_map ，這里主要介紹幾個常用函數(shù)。
- hash_map(size_type n) 如果講究效率，這個參數(shù)是必須要設(shè)置的。n 主要用來設(shè)置hash_map 容器中hash桶的個數(shù)。桶個數(shù)越多，hash函數(shù)發(fā)生沖突的概率就越小，重新申請內(nèi)存的概率就越小。n越大，效率越高，但是內(nèi)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(shù)。因為其特別方便，可像使用數(shù)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，這就相當于自動增加了一個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(shù)。在容器中不包含key值時，insert函數(shù)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(nèi)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。
- erase 函數(shù)。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(nèi)存。但在sgi stl中是erase并不自動回收內(nèi)存。因此你調(diào)用erase后，其他元素的iterator還是可用的。
3 相關(guān)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(qū)別與hash_map和map的區(qū)別一樣，我想不需要我一一細說了吧。
4 其他
這里列幾個常見問題，應(yīng)該對你理解和使用hash_map比較有幫助。
4.1 hash_map和map的區(qū)別在哪里？
- 構(gòu)造函數(shù)。hash_map需要hash函數(shù)，等于函數(shù)；map只需要比較函數(shù)(小于函數(shù)).
- 存儲結(jié)構(gòu)。hash_map采用hash表存儲，map一般采用 紅黑樹(RB Tree) 實現(xiàn)。因此其memory數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是不一樣的。
4.2 什么時候需要用hash_map，什么時候需要用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(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大小，屬于常數(shù)級別;而map的查找速度是log(n)級別。并不一定常數(shù)就比log(n)小，hash還有hash函數(shù)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(shù)量級時，考慮考慮hash_map。但若你對內(nèi)存使用特別嚴格，希望程序盡可能少消耗內(nèi)存，那么一定要小心，hash_map可能會讓你陷入尷尬，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(gòu)造速度較慢。
現(xiàn)在知道如何選擇了嗎？權(quán)衡三個因素: 查找速度, 數(shù)據(jù)量, 內(nèi)存使用。
這里還有個關(guān)于hash_map和map的小故事，看看: http://dev.csdn.net/Develop/article/14/14019.shtm
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(shù)，定義等于比較函數(shù)。下面的代碼是一個例子：
-bash-2.05b$ cat my.cpp
#include
<hash_map>
#include
<string>
#include
<iostream>
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<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;
ClassA a1(12);
hmap[a1]="
I am 12
";
ClassA a2(198877);
hmap[a2]="
I am 198877
";
cout<<hmap[a1]<<endl;
cout<<hmap[a2]<<endl;
return
0;
}
-bash-2.05b$ make my
c++ -O -pipe -march=pentiumpro my.cpp -o my
-bash-2.05b$ ./my
I am 12
I am 198877
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<Key, Value> KeyMap;
當你希望使用hash_map來替換的時候，只需要修改:
typedef
hash_map<Key, Value> 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(shù)和比較函數(shù)。
4.5為什么hash_map不是標準的？
具體為什么不是標準的，我也不清楚，有個解釋說在STL加入標準C++之時，hash_map系列當時還沒有完全實現(xiàn)，以后應(yīng)該會成為標準。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不是標準的，所以許多平臺上安裝了g++編譯器，不一定有hash_map的實現(xiàn)。我就遇到了這樣的例子。因此在使用這些非標準庫的時候，一定要事先測試。另外，如果考慮到平臺移植，還是少用為佳。
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