map和set的模拟实现｜利用红黑树封装map和set｜STL源码剖析

前言

那么这里博主先安利一些干货满满的专栏了！

首先是博主的高质量博客的汇总，这个专栏里面的博客，都是博主最最用心写的一部分，干货满满，希望对大家有帮助。

高质量干货博客汇总https://blog.csdn.net/yu_cblog/category_12379430.html?spm=1001.2014.3001.5482这两个都是博主在学习Linux操作系统过程中的记录，希望对大家的学习有帮助！

操作系统Operating Syshttps://blog.csdn.net/yu_cblog/category_12165502.html?spm=1001.2014.3001.5482Linux Syshttps://blog.csdn.net/yu_cblog/category_11786077.html?spm=1001.2014.3001.5482这两个是博主学习数据结构的同时，手撕模拟STL标准模版库各种容器的专栏。

STL源码剖析https://blog.csdn.net/yu_cblog/category_11983210.html?spm=1001.2014.3001.5482手撕数据结构https://blog.csdn.net/yu_cblog/category_11490888.html

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Map和Set的底层是什么

在C++ STL中，map和set底层通常是使用红黑树（Red-Black Tree）来实现的。

红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，它通过在每个节点上存储额外的信息（颜色）来维护平衡。这些颜色信息遵循一组特定的规则，以确保树保持平衡状态。红黑树的平衡性质使得插入、删除和查找操作的时间复杂度为对数级别。

在红黑树中，每个节点都有一个键值对，按照键的顺序进行排序。对于map而言，每个节点还有一个相关联的值，而对于set而言，节点的键即是其值。这种有序性质使得map和set非常适合需要按照键进行查找、插入和删除的应用场景。

需要注意的是，虽然红黑树是map和set的常见底层实现，但具体的实现可能因不同的编译器和标准库实现而有所不同。因此，对于特定的编译器和标准库版本，底层实现可能会有所变化。

因此，在学习如何使用红黑树封装STL的map和set的之前，我们需要先学习红黑树的底层原理，可以见博主之前的一篇博客，里面对于红黑树的原理讲的非常的详细。

手撕红黑树 | 变色+旋转你真的明白了吗？【超用心超详细图文解释 | 一篇学会Red_Black_Tree】https://blog.csdn.net/Yu_Cblog/article/details/128210260

但是，上面这篇博客里面的红黑树，和即将要封装的版本，还是略微有差别的。

因为set只需要key，而map是key-value结构的。

封装版本的红黑树头文件博主放在博客结尾。

封装

Map.h

#pragma once

#include"RBTree.h"

namespace ns_Map {
	template<class K, class V>
	class map {
		struct MapKeyOfT {
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv) {
				return kv.first;
			}
		};
	public:
	//迭代器
		//取模板的模板的类型 -- 所以要typename -- 告诉编译器是类型
		typedef typename RBTree <K, pair<K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator;
		iterator begin() {
			return _t.begin();
		}
		iterator end() {
			return _t.end();
		}
	public:
		//operator[] -- 只有map才有
		V& operator[](const K& key) {
			//如果有 -- 插入成功
			//如果没有 -- 插入失败
			pair<iterator, bool>ret = insert(make_pair(key, V()));
			return ret.first->second;
		}
	public:
		pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv) {
			return _t.insert(kv);
		}
	private:
		RBTree <K, pair<K, V>, MapKeyOfT>_t;
	};



	void test_map() {
		map<int, int>m;
		m.insert(make_pair(1, 2));
		m.insert(make_pair(5, 2));
		m.insert(make_pair(2, 2));
		m.insert(make_pair(2, 2));
		m.insert(make_pair(3, 2));
		m.insert(make_pair(4, 2));
		m.insert(make_pair(6, 2));

		cout << "测试++" << endl;
		map<int, int>::iterator it = m.begin();
		while (it != m.end()) {
			cout << it->first << endl;
			++it;
		}
		cout << "测试--" << endl;
		//--it;
		//while (it != m.begin()) {
		//	cout << it->first << endl;
		//	--it;
		//}
		cout << endl;
	}
	void test_map2() {
		string arr[] = { "苹果","香蕉","苹果","苹果","西瓜","香蕉","苹果","苹果" };
		map<string, int>hash;
		for (auto& str : arr) {
			hash[str]++;
		}
		//map<string, int>::iterator it = hash.begin();
		//while (it != hash.end()) {
		//	cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		//	++it;
		//}
		//范围for
		for (auto& e : hash) {
			cout << e.first << ":" << e.second << endl;
		}
	}
}

Set.h

#pragma once

#include"RBTree.h"

namespace ns_Set{
	template<class K>
	class set {
		struct SetKeyOfT {
			const K& operator()(const K& key) {
				return key;
			}
		};
	public:
		//µü´úÆ÷
		typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::iterator iterator;
		iterator begin() {
			return _t.begin();
		}
		iterator end() {
			return _t.end();
		}
	public:
		pair<iterator, bool> insert(const K& key) {
			return _t.insert(key);
		}
	private:
		RBTree<K, K, SetKeyOfT>_t;
	};





	void test_set() {
		set<int>s;
		s.insert(3);
		s.insert(3);
		s.insert(1);
		s.insert(2);
		s.insert(5);
		s.insert(5);
		s.insert(7);
		s.insert(6);

		set<int>::iterator it = s.begin();
		while (it != s.end()) {
			cout << *it << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

RBTree.h

#pragma once
#include<map>
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
enum Colour {
	RED,BLACK
};

template<class T>
struct __Red_Black_TreeNode {
	__Red_Black_TreeNode<T>* _left;
	__Red_Black_TreeNode<T>* _right;
	__Red_Black_TreeNode<T>* _parent;
	//pair<K, V>_kv;
	T _data;
	Colour _col;
	__Red_Black_TreeNode(const T& data)
		:_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _data(data) {}
};

//迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __redblack_tree_iterator {
	typedef __Red_Black_TreeNode<T>Node;
	Node* _node;
	__redblack_tree_iterator(Node* node)
		:_node(node) {}
	Ref operator*() {
		return _node->_data;
	}
	Ptr operator->() {
		return &_node->_data;
	}
	bool operator!=(const __redblack_tree_iterator& s) const {
		return _node != s._node;
	}
	bool operator==(const __redblack_tree_iterator& s) const {
		return _node == s._node;
	}
	__redblack_tree_iterator& operator++() {
		//1.右子树不为空，++就是找右子树的中序第一个
		//2.如果右子树为空，找孩子不是父亲右边的那个祖先
			//如果当前节点是父亲的右，说明父亲访问过了
		if (_node->_right) {
			//1.
			Node* left = _node->_right;
			while (left->_left) {
				left = left->_left;
			}
			_node = left;
		}
		else {
			//2.
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && cur == parent->_right) {
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}
	__redblack_tree_iterator& operator--() {
		//1.如果左不为空 -- 找左的最右
		//2.如果左为空 -- 找到孩子不是父亲的左的那个祖先
		if (_node->_left) {
			Node* right = _node->_left;
			while (right->_right) {
				right = right->_right;
			}
			_node = right;
		}
		else {
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			while (parent && cur == parent->_left) {
				cur = cur->_parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}	
};


//第三个模板参数是一个仿函数
template<class K,class T,class KeyOfT>
struct RBTree {
	typedef __Red_Black_TreeNode<T>Node;
private:
	Node* _root = nullptr;
public:
	typedef __redblack_tree_iterator<T, T&, T*> iterator;
	iterator begin() {
		//stl源码里面是有哨兵位的，这里我们没有 -- 所以我们找一下最左节点
		Node* left = _root;
		while (left && left->_left) {
			left = left->_left;
		}
		return iterator(left);
	}
	iterator end() {
		return iterator(nullptr);//直接给空就行了
	}
private:
	//左单旋
	void rotate_left(Node* parent) {
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;
		parent->_right = subRL;
		if (subRL) {
			subRL->_parent = parent;
		}
		Node* ppNode = parent->_parent;//记录一下原先parent的parent
		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;
		if (_root == parent) {
			_root = subR;
			subR->_parent = nullptr;
		}
		else {
			//如果ppNode==nullpt，是不会进来这里的
			if (ppNode->_left == parent) {
				ppNode->_left = subR;
			}
			else {
				ppNode->_right = subR;
			}
			subR->_parent = ppNode;
		}
	}
	//右单旋
	void rotate_right(Node* parent) {
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;
		parent->_left = subLR;
		if (subLR) {
			subLR->_parent = parent;
		}
		Node* ppNode = parent->_parent;
		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;
		if (_root == parent) {
			_root = subL;
			subL->_parent = nullptr;
		}
		else {
			if (ppNode->_left == parent) {
				ppNode->_left = subL;
			}
			else {
				ppNode->_right = subL;
			}
			subL->_parent = ppNode;
		}
	}
public:
	//前面插入的过程和搜索树一样的
	pair<iterator, bool> insert(const T& data) {
		KeyOfT kot;
		if (_root == nullptr) {
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			return make_pair(iterator(_root), true);
		}
		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;
		while (cur) {
			if (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;//一开始尽量先变红
		if (kot(parent->_data) < kot(data)) {
			parent->_right = cur;
		}
		else {
			parent->_left = cur;
		}
		cur->_parent = parent;

		while (parent && parent->_col == RED) {
			Node* grandparent = parent->_parent;
			assert(grandparent && grandparent->_col == BLACK);
			//关键看叔叔
			//判断一下左右
			if (parent == grandparent->_left) {
				Node* uncle = grandparent -> _right;
				//情况1（不看方向）
				if (uncle && uncle->_col == RED) {
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
					//继续向上处理
					cur = grandparent;
					parent = cur->_parent;
				}
				//情况2+3
				//uncle不存在/存在且为黑
				else {
					//情况2
					//   g
					//  p  u
					// c
					//右单旋+变色
					if (cur == parent->_left) {
						rotate_right(grandparent);
						parent->_col = BLACK;//父亲变黑
						grandparent->_col = RED;//祖父变红
					}
					//情况3
					//   g
					//  p  u
					//   c
					//左右双旋+变色
					else {
						rotate_left(parent);
						rotate_right(grandparent);
						//看着图写就行了
						cur->_col = BLACK;
						grandparent->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
			else {
				Node* uncle = grandparent->_left;
				//情况1（不看方向）
				if (uncle && uncle->_col == RED) {
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandparent->_col = RED;
					//继续向上处理
					cur = grandparent;
					parent = cur->_parent;
				}
				else {
					//情况2
					//   g
					//  u  p
					//      c 
					//左单旋+变色
					if (cur == parent->_right) {
						rotate_left(grandparent);
						parent->_col = BLACK;//父亲变黑
						grandparent->_col = RED;//祖父变红
					}
					//情况3
					//   g
					//  u  p
					//    c
					//右左双旋+变色
					else {
						rotate_right(parent);
						rotate_left(grandparent);
						//看着图写就行了
						cur->_col = BLACK;
						grandparent->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}
		_root->_col = BLACK;//最后无论根是红是黑 -- 都处理成黑
		//这里我们要返回新增的节点 -- 但是刚才插入过程可能不见了，所以前面最好保存一下
		return make_pair(iterator(newnode), true);
	}
};