C++11 元编程 判断是否有std::hash特例并提供hash函数通用实现

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std::hash<T>的用途

std::hash<T>是C++11提供的一元函数模板,用于向标准库提供返回数据类型T哈希值(hash value)的哈希函数(hash function)。 std::hash<T>只是定义了一个一元操作符operator(),接受一个T类型的参数,返回一个size_t类型的哈希值, C++11为所有基本类型(basic types)都提供了特例化实现:

C++11标准库定义的类型也提供都有提供特例化实现:

自定义类型的std::hash<T>特化

但是自定义的类型需要程序员自己定义std::hash<T>的特例化实现 比如下面代码就为自定义类型struct S提供 了std::hash<S>特例化实现

struct S
{
    std::string first_name;
    std::string last_name;
};
/* 为S提供 std::hash<T>特例化实现 */
namespace std
{
    template<>
    struct hash<S>
    {
        typedef S argument_type;
        typedef std::size_t result_type;

        result_type operator()(argument_type const& s) const
        {
            result_type const h1 ( std::hash<std::string>()(s.first_name) );
            result_type const h2 ( std::hash<std::string>()(s.last_name) );
            return h1 ^ (h2 << 1);
        }
    };

}

为自定义类型提供std::hash<T>特例化有什么用呢? 比如,如果你要使用上面的自定义类型struct S作为std::unorderd_map的key,就必须为模板类提供Hash参数,也就是提供key的hash函数。下面是std::unorderd_map的模板定义。

template < class Key,                                    // unordered_map::key_type
           class T,                                      // unordered_map::mapped_type
           class Hash = hash<Key>,                       // unordered_map::hasher
           class Pred = equal_to<Key>,                   // unordered_map::key_equal
           class Alloc = allocator< pair<const Key,T> >  // unordered_map::allocator_type
           > class unordered_map;

我们一般像下面这样使用unordered_map,不用提供Hash 参数,是因为对于string,STL已经提供了stringstd::hash<T>特例化实现

std::unordered_map<string,string> map;

hash函数的通用实现

有时在项目中有多个自定义类型需要提供std::hash<T>特例化实现,为每个类型写一个特例化实现也挺烦的。 那么可以考虑提供一个hash函数的通用实现,并在编译期通过模板函数自动判断类型是否有std::hash<T>的特例实现,如果有就使用T自己的特例化实现,如果没有就使用通用的hash函数实现,下面是实现代码,详细说明见代码中注释:

#include <iostream>
#include <functional>
#include <string>
#include <type_traits>
#include <unordered_map>
using namespace std;
/* TT没有std::hash<TT>特例化实现 */
struct TT{
const int t1=18354;
};

struct S
{
    std::string first_name;
    std::string last_name;
};
/* 为S提供 std::hash<T>特例化实现 */
namespace std
{
    template<>
    struct hash<S>
    {
        typedef S argument_type;
        typedef std::size_t result_type;

        result_type operator()(argument_type const& s) const
        {
            result_type const h1 ( std::hash<std::string>()(s.first_name) );
            result_type const h2 ( std::hash<std::string>()(s.last_name) );
            return h1 ^ (h2 << 1);
        }
    };

}
/* 返回获取hash值的一元函数实现,
 * 如果T有std::hash<T>特例实现返回std::hash<T>,否则提供缺省的hash实现
 */
template<typename T>
struct hash_fn{
    /* 缺省的hash实现 */
    struct default_hash {
        typedef T argument_type;
        typedef std::size_t result_type;
        result_type operator()(argument_type const& t) const noexcept {
                auto obj_size=sizeof(t);
                uint64_t hashcode = 0;
                uint64_t *p = (uint64_t*) std::addressof(t);
                uint64_t *const u = p + obj_size/sizeof(uint64_t);
                const int tail=obj_size % sizeof(uint64_t);
                const int shift = (sizeof(uint64_t) - sizeof(uint32_t)) << 3;
                //BKDRHash
                uint64_t seed = 131; // 31 131 1313 13131 131313 etc..
                for (; p < u; p ++) hashcode = hashcode * seed + *p;
                if (tail)
            #if defined( _MSC_VER) || (defined(__GNUC__) && __BYTE_ORDER__ ==__ORDER_LITTLE_ENDIAN__)
                    hashcode = hashcode * seed+ ((*p) &((1ULL<<(tail << 3))-1));// 小端模式
            #elif defined(__GNUC__) && __BYTE_ORDER__ ==__ORDER_BIG_ENDIAN__
                    hashcode = hashcode * seed+ ((*p) >> ((sizeof(uint64_t) - tail) << 3)); // 大端模式
            #else
            #error unexpected c complier (msc/gcc)
            #endif
                return (result_type) hashcode;
            }
    };
    /* SFINAE 判断T有没有std::hash<T>特例实现 */
    template<typename U> static std::hash<U> test(decltype(declval<std::hash<U>>().operator()(declval<U>())));
    template<typename U> static default_hash test(...);
    //如果T没有std::hash<T>特例化实现,则type的类型为default_hash 
    //否则type类型为std::hash<T>
    using type =decltype(test<T>(0));
    type fn;
};

int main()
{
    S s;
    s.first_name = "Bender";
    s.last_name =  "Rodriguez";
    cout<<hash_fn<TT>().fn(TT())<<endl;
    cout<<hash_fn<S>().fn(s)<<endl;
    //S有std::hash<S>特例实现,无需指定std::unordered_map的Hash参数
    std::unordered_map<S,string> map_s;
    //TT没有std::hash<TT>实现,将hash_fn<TT>的计算结果作为Hash参数,
    //hash_fn<TT>::type会自动选择缺省的哈希实现
    std::unordered_map<TT,string,typename hash_fn<TT>::type> map_tt;
}

判断std::hash<T>是否实现的元函数

另外,还可以单独写一个元函数来判断类型T是否有std::hash<T>特例

#include <iostream>
#include <functional>
#include <string>
#include <type_traits>

/* 判断有没有std::hash<T>实现 */
template <typename T>
struct has_hash_specific{
    template<typename U> static auto test(int)->    decltype(declval<std::hash<U>>().operator()(declval<U>()));
    template<typename U> static void test(...);
    enum{value=!std::is_void<decltype(test<T>(0))>::value};
    //通过判断test<T>(0)返回值是否为void来判断是否有hash<T>特例
};
struct TT{
const int t1=18354;
};

struct S
{
    std::string first_name;
    std::string last_name;
};

namespace std
{
    template<>
    struct hash<S>
    {
        typedef S argument_type;
        typedef std::size_t result_type;

        result_type operator()(argument_type const& s) const
        {
            result_type const h1 ( std::hash<std::string>()(s.first_name) );
            result_type const h2 ( std::hash<std::string>()(s.last_name) );
            return h1 ^ (h2 << 1);
        }
    };

}
int main()
{
    S s;
    s.first_name = "Bender";
    s.last_name =  "Rodriguez";
    cout<<"has_hash_spec<S>"<<has_hash_specific<S>::value<<endl;
    cout<<"has_hash_spec<int>"<<has_hash_specific<int>::value<<endl;
    cout<<"has_hash_spec<uint64_t>"<<has_hash_specific<uint64_t>::value<<endl;
    cout<<"has_hash_spec<TT>"<<has_hash_specific<TT>::value<<endl;
}

运行结果

has_hash_spec<S>1
has_hash_spec<int>1
has_hash_spec<uint64_t>1
has_hash_spec<TT>0

注意:

default_hash其实只能用于成员为基本类型的class/union/struct,对于包含复杂对象的类型还是需要提供std::hash<T>特例化实现

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