STL源码剖析（5）关联容器

在STL中，关联容器核心的只有两个：set和map，与之相关的还有multi和unordered。组合起来一共就是8个

底层实现

STL中，关联容器的实现有两个数据结构，红黑树和hash表。

红黑树

红黑树是一种平衡二叉树，他有这些特点

1. 树上所有的节点都带有颜色，要么红色要么黑色。
2. 根节点是黑色
3. 根节点到所有叶子节点路径上的黑节点个数相同
4. 没有两个红色节点相连，换句话说，红节点的儿子和父亲都必然是黑结点

这里只谈插入。

根据规则3，在一棵红黑树中插入黑节点，必然导致3失效。所以插入的新节点只能是红节点。

但是插入红节点又可能导致规则4被破坏，那么这个时候就需要调整树的结构，重新染色了。

怎么调，怎么染色，需要看三层。第一层是插入的那一层，第二层是父节点那层，这一层其实要看两节点，父节点和伯父节点；第三次是祖父节点。

首先有一个很简单的道理，就是如果我们需要调整，那父节点必然是红节点，否则直接插入就好了。那祖父节点必然是黑节点，因为规则4，

然后就是4种插入的情况了，这个跟AVL的一样，就是单旋和双旋。无非就是多了个染色，染色画个图自己染一染也看得出来。

• 伯父节点是黑色，左左，右右，单旋，染色
• 伯父节点是黑色，左右，右左，双旋，染色
• 伯父节点是红色，左左，右右，单旋，染色
• 伯父节点是红色，左右，右左，双旋，染色

STL中红黑树的设计

节点设计成两层，第一层保存了：颜色，指向父节点的指针，左儿子，右儿子，第二层继承于第一层，额外保存了：值。

迭代器的设计也分成了两层：有一层基类迭代器，保存了一个指向红黑树节点的指针。第二层继承于第一层，实现迭代器的一些操作。比如++，--之类的。

红黑树的++操作。这里我们认为是中序遍历的下一个值。做法是这样：

1. 当前指针的左子树必然已经遍历过了，因为中序遍历是左中右，到了中，那么左肯定遍历了。下一步就是找右，所以是先走一步右儿子，然后左走到底（中序遍历很好理解），如果右儿子是叶子，那就直接返回就行了。
2. 如果没有右儿子，说明当前节点的子树已经搞完了，需要回溯了。回溯是需要当前是哪棵子树，如果是左子树遍历完了需要回溯，下一步就是遍历右子树；如果是右子树遍历完了，就要继续回溯。判断方法是：如果父节点是个左儿子，说明当前的是左，下一步是访问中。如果父节点是个右儿子，那说明是右子树，需要继续回溯
3. 对于回溯来说，我们一直要找到一个不是右儿子的父节点，然后遍历他，然后遍历他的右儿子。

红黑树的--操作是类似的

底层结构：与普通的树的结构一样，只是在根节点上多了一个父节点。就像链表的空头节点一样。

插入：STL提供了两种插入，insert_equal()和insert_unique()，前者允许重复元素，后者不允许。

hash表

哈希函数

哈希函数就是把键映射到一个index上的函数。因为任何类型的底层都是int，double，char之类的基本类型，所以这个键可以是任何类型。

哈希冲突

负载系数，哈希表实际存储量与总容量的比值。

• 线性探测：顺序寻找下一个位置。
• 二次探测：下一个位置不再是+i，而是加i^2。如果哈希表的总量是质数，且负载系数在0.5一下，那么每次插入一个元素，其探测次数不会超过2.
• 开散列，每个元素值后面搞一个链表，连着相同哈希值的元素。

STL中是以开散列的方式处理哈希冲突的。每个元素属于一个hashtable_node，这个node同时又是一个链表的node，保存了元素值和next指针。具有相同hash值的元素被那个位置的链表链起来。

哈希数组用vector保存，也就是一个vector<hash_node>这样子。

set，multiset，

set是集合，multiset是元素可重复的集合。set和multiset就是对红黑树做了一层接口的包装。本质上就是个红黑树。区别是：set在插入的时候用的是insert_unique，multiset用的是insert_equal

map，multimap，

map就是把红黑树的value换成了pair，其中键的类型是const的，表示键是不能被修改的。其他的跟set一样

set和map都有一个模板参数，Comp，这是个仿函数，用来指定Value是如何进行比较的。

unordered系列

这个系列的容器有

• unordered_set
• unordered_multiset
• unordered_map
• unordered_multimap

接口什么的都与那啥一样，就是底层用的是哈希表。

因为底层不需要排序，所以他们是没有Comp的，但是需要指定哈希函数。默认的哈希函数是标准库中的hash