C++ STL中哈希表 hash_map介绍

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C++ STL中哈希表 hash_map介绍

0 为什么需要hash_map

用过map吧？map提供一个很常用的功能，那就是提供key-value的存储和查找功能。例如，我要记录一个人名和相应的存储，而且随时增加，要快速查找和修改：

岳不群－华山派掌门人，人称君子剑
张三丰－武当掌门人，太极拳创始人
东方不败－第一高手，葵花宝典
...

这些信息如果保存下来并不复杂，但是找起来比较麻烦。例如我要找"张三丰"的信息，最傻的方法就是取得所有的记录，然后按照名字一个一个比较。如果要速度快，就需要把这些记录按照字母顺序排列，然后按照二分法查找。但是增加记录的时候同时需要保持记录有序，因此需要插入排序。考虑到效率，这就需要用到二叉树。讲下去会没完没了，如果你使用STL 的map容器，你可以非常方便的实现这个功能，而不用关心其细节。关于map的数据结构细节，感兴趣的朋友可以参看学习STL map, STL set之数据结构基础。看看map的实现:

#include <map>
#include <string>
using namespace std;
...
map<string, string> namemap;

//增加。。。
namemap["岳不群"] = "华山派掌门人，人称君子剑";
namemap["张三丰"] = "武当掌门人，太极拳创始人";
namemap["东方不败"] = "第一高手，葵花宝典";
...

//查找。。
if(namemap.find("岳不群") != namemap.end()){
        ...
}

不觉得用起来很easy吗？而且效率很高，100万条记录，最多也只要20次的string.compare的比较，就能找到你要找的记录;200万条记录事，也只要用21次的比较。

速度永远都满足不了现实的需求。如果有100万条记录，我需要频繁进行搜索时，20次比较也会成为瓶颈，要是能降到一次或者两次比较是否有可能？而且当记录数到200万的时候也是一次或者两次的比较，是否有可能？而且还需要和map一样的方便使用。

答案是肯定的。这时你需要has_map. 虽然hash_map目前并没有纳入C++ 标准模板库中，但几乎每个版本的STL都提供了相应的实现。而且应用十分广泛。在正式使用hash_map之前，先看看hash_map的原理。

1 数据结构：hash_map原理

这是一节让你深入理解hash_map的介绍，如果你只是想囫囵吞枣，不想理解其原理，你倒是可以略过这一节，但我还是建议你看看，多了解一些没有坏处。

hash_map基于hash table（哈希表）。 哈希表最大的优点，就是把数据的存储和查找消耗的时间大大降低，几乎可以看成是常数时间；而代价仅仅是消耗比较多的内存。然而在当前可利用内存越来越多的 情况下，用空间换时间的做法是值得的。另外，编码比较容易也是它的特点之一。

其基本原理是：使用一个下标范围比较大的数组来存储元素。可以设计一个函数（哈希函数，也叫做散列函数），使得每个元素的关键字都与一个函数值（即 数组下标，hash值）相对应，于是用这个数组单元来存储这个元素；也可以简单的理解为，按照关键字为每一个元素“分类”，然后将这个元素存储在相应 “类”所对应的地方，称为桶。

但是，不能够保证每个元素的关键字与函数值是一一对应的，因此极有可能出现对于不同的元素，却计算出了相同的函数值，这样就产生了“冲突”，换句话说，就是把不同的元素分在了相同的“类”之中。 总的来说，“直接定址”与“解决冲突”是哈希表的两大特点。

hash_map，首先分配一大片内存，形成许多桶。是利用hash函数，对key进行映射到不同区域（桶）进行保存。其插入过程是：

1. 得到key
2. 通过hash函数得到hash值
3. 得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
4. 存放key和value在桶内。

其取值过程是:

1. 得到key
2. 通过hash函数得到hash值
3. 得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
4. 比较桶的内部元素是否与key相等，若都不相等，则没有找到。
5. 取出相等的记录的value。

hash_map中直接地址用hash函数生成，解决冲突用比较函数解决。这里可以看出，如果每个桶内部只有一个元素，那么查找的时候只有一次比较。当许多桶内没有值时，许多查询就会更快了(指查不到的时候).

由此可见，要实现哈希表, 和用户相关的是：hash函数和比较函数。这两个参数刚好是我们在使用hash_map时需要指定的参数。

2 hash_map 使用

2.1 一个简单实例

不要着急如何把"岳不群"用hash_map表示，我们先看一个简单的例子：随机给你一个ID号和ID号相应的信息，ID号的范围是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] = "唐伯虎点秋香";
        mymap[1000000] = "百万富翁的生活";
        mymap[10000] = "白领的工资底线";
        ...
        if(mymap.find(10000) != mymap.end()){
                ...
        }

够简单，和map使用方法一样。这时你或许会问？hash函数和比较函数呢？不是要指定么？你说对了，但是在你没有指定hash函数和比较函数的时候，你会有一个缺省的函数，看看hash_map的声明，你会更加明白。下面是SGI STL的声明：

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

也就是说，在上例中，有以下等同关系：

...
hash_map<int, string> mymap;
//等同于:
hash_map<int, string, hash<int>, equal_to<int> > mymap;

Alloc我们就不要取关注太多了(希望深入了解Allocator的朋友可以参看标准库 STL ：Allocator能做什么)

2.2 hash_map 的 hash函数

hash< int>到底是什么样子？看看源码:

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

原来是个函数对象。在SGI STL中，提供了以下hash函数：

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>

也就是说，如果你的key使用的是以上类型中的一种，你都可以使用缺省的hash函数。当然你自己也可以定义自己的hash函数。对于自定义变量，你只能如此，例如对于string，就必须自定义hash函数。例如：

struct hash_string{
        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);
        }
};
//如果你希望利用系统定义的字符串hash函数，你可以这样写：
struct hash_string{
        size_t operator()(const string& str) const
        {
                return __stl_hash_string(str.c_str());
        }
};

在Visual Studio下，hash function 和 equal function 在一个结构中，不想SGI的是分开的。

struct hash_string
{
 static const size_t bucket_size = 4;    
 static const size_t min_buckets = 8;

 // 1. define the hash function
 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);
 }

 //// 1. define the hash function
 //size_t operator()(const string& str) const
 //{
 // return __stl_hash_string(str.c_str());
 //}

 // 2. define the equal function
 bool operator()(const string& p1, const string& p2) const{
   return p1 == p2;
 }
};

在声明自己的哈希函数时要注意以下几点：

1. 使用struct，然后重载operator();
2. 返回是size_t;
3. 参数是你要hash的key的类型;
4. 函数是const类型的。

如果这些比较难记，最简单的方法就是照猫画虎，找一个函数改改就是了。

现在可以对开头的"岳不群"进行哈希化了 . 直接替换成下面的声明即可：

map<string, string> namemap;
//改为：
hash_map<string, string, hash_string> namemap;

其他用法都不用边。当然不要忘了吧hash_string的声明以及头文件改为hash_map。

你或许会问：比较函数呢？别着急，这里就开始介绍hash_map中的比较函数。

2.3 hash_map 的 比较函数

在map中的比较函数，需要提供less函数。如果没有提供，缺省的也是less< Key> 。在hash_map中，要比较桶内的数据和key是否相等，因此需要的是是否等于的函数:equal_to< Key> 。先看看equal_to的源码：

//本代码可以从SGI STL
//先看看binary_function 函数声明，其实只是定义一些类型而已。
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的定义：
template <class _Tp>
struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>
{
        bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }
};

如果你使用一个自定义的数据类型，如struct mystruct, 或者const char* 的字符串，如何使用比较函数？

使用比较函数，有两种方法.

第一种是：重载==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) ;
        }
};

这样，就可以使用equal_to< mystruct>作为比较函数了。

另一种方法就是：使用函数对象。自定义一个比较函数体：

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"]="华山派掌门人，人称君子剑";
namemap["张三丰"]="武当掌门人，太极拳创始人";
namemap["东方不败"]="第一高手，葵花宝典";

2.4 hash_map 函数

hash_map的函数和map的函数差不多。具体函数的参数和解释，请参看：STL 编程手册：Hash_map，这里主要介绍几个常用函数。

1. hash_map(size_type n) 如果讲究效率，这个参数是必须要设置的。n 主要用来设置hash_map 容器中hash桶的个数。桶个数越多，hash函数发生冲突的概率就越小，重新申请内存的概率就越小。n越大，效率越高，但是内存消耗也越大。
2. const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找，输入为键值，返回为迭代器。
3. data_type& operator[](const key_type& k) . 这是我最常用的一个函数。因为其特别方便，可像使用数组一样使用。不过需要注意的是，当你使用[key ]操作符时，如果容器中没有key元素，这就相当于自动增加了一个key元素。因此当你只是想知道容器中是否有key元素时，你可以使用find。如果你希望插入该元素时，你可以直接使用[]操作符。
4. insert 函数。在容器中不包含key值时，insert函数和[]操作符的功能差不多。但是当容器中元素越来越多，每个桶中的元素会增加，为了保证效率，hash_map会自动申请更大的内存，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。
5. erase 函数。在insert的过程中，当每个桶的元素太多时，hash_map可能会自动扩充容器的内存。但在sgi stl中是erase并不自动回收内存。因此你调用erase后，其他元素的iterator还是可用的。

 

3 相关hash容器

hash 容器除了hash_map之外，还有hash_set, hash_multimap, has_multiset, 这些容器使用起来和set, multimap, multiset的区别与hash_map和map的区别一样，我想不需要我一一细说了吧。

4 其他

这里列几个常见问题，应该对你理解和使用hash_map比较有帮助。

4.1 hash_map 和 map的区别在哪里？

• 构造函数。hash_map需要hash函数，等于函数；map只需要比较函数(小于函数).
• 存储结构。hash_map采用hash表存储，map一般采用红黑树(RB Tree)实现。因此其memory数据结构是不一样的。

4.2 什么时候需要用hash_map，什么时候需要用map?

总体来说，hash_map 查找速度会比map快，而且查找速度基本和数据数据量大小，属于常数级别;而map的查找速度是log(n)级别。并不一定常数就比log(n)小，hash还有hash函数的耗时，明白了吧，如果你考虑效率，特别是在元素达到一定数量级时，考虑考虑hash_map。但若你对内存使用特别严格，希望程序尽可能少消耗内存，那么一定要小心，hash_map可能会让你陷入尴尬，特别是当你的hash_map对象特别多时，你就更无法控制了，而且hash_map的构造速度较慢。

现在知道如何选择了吗？权衡三个因素: 查找速度, 数据量, 内存使用。

这里还有个关于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中加入自己定义的类型?

你只要做两件事, 定义hash函数，定义等于比较函数。下面的代码是一个例子：

-bash-2.05b$ cat my.cpp

#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

// just for "#include <hash_map>" in linux
#if __GNUC__>2
#include <ext/hash_map>
using __gnu_cxx::hash_map;
#else
#include <hash_map>
#endif

// 0 define the class
class ClassA{

public:
        ClassA(int a):c_a(a){}
        int getvalue()const { return c_a;}
        void setvalue(int a){c_a = 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

在Visual Studio下，hash function 和 equal function 在一个结构中，不想SGI的是分开的。

class   MyClass   
{   
    ....   
};   
    
struct   my_hash   
{   
    static   const   size_t   bucket_size   =   4;   
    static   const   size_t   min_buckets   =   8;   
    size_t   operator()(const   MyClass&   Key)   const   
    {   
        size_t   hash   =   999;   
        for   (size_t   i   =   0;   i   <   100000;   i++)   
            hash   =   "hash function";   
        return   hash;   
    }   
    
    bool   operator()(const   MyClass&   c1,   const   MyClass&   c2)   const   
    {   
        return   "equal function";   
    }   
};   
    
int   main()   
{   
    hash_map<MyClass,   int,   my_hash>   my;   
    ......             
}

4.4如何用hash_map替换程序中已有的map容器？

这个很容易，但需要你有良好的编程风格。建议你尽量使用typedef来定义你的类型：

typedef map<Key, Value> KeyMap;

当你希望使用hash_map来替换的时候，只需要修改:

typedef hash_map<Key, Value> KeyMap;

其他的基本不变。当然，你需要注意是否有Key类型的hash函数和比较函数。

4.5为什么hash_map不是标准的？

具体为什么不是标准的，我也不清楚，有个解释说在STL加入标准C++之时，hash_map系列当时还没有完全实现，以后应该会成为标准。如果谁知道更合理的解释，也希望告诉我。但我想表达的是，正是因为hash_map不是标准的，所以许多平台上安装了g++编译器，不一定有hash_map的实现。我就遇到了这样的例子。因此在使用这些非标准库的时候，一定要事先测试。另外，如果考虑到平台移植，还是少用为佳。