C++中的hash_map的基础教程

Stella981
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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  
#include  
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  
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, equal_to > 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
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 
struct hash 
struct hash 
struct hash 
struct hash 
struct hash 
struct hash 
struct hash 
struct hash 

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 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); 

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

return return __stl_hash_string(str.c_str()); 

}; 

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 smile . 直接替换成下面的声明即可: 

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

其他用法都不用边。当然不要忘了吧str_hash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 <hash_map> 
#include  
#include  
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(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。 
4.6 有学习使用hash_map的建议吗? 
hash中文是哈希,也成为散列,听见别人说散列容器不要埋怨自己孤陋寡闻。了解hash系列,你还可以看看这篇文章:effective STL 25: 熟悉非标准散列容器, 另外建议查看源代码。如果还有问题,那么你可以在STL论坛上提问,会有高手回答你的。

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