C++之模拟实现map和set
前言
基于之前的红黑树和map、set的相关知识，本节我们使用红黑树来模拟实现STL中的map和set。
一、迭代器
使用迭代器可以方便我们对数据结构进行遍历，它使数据结构的底层实与用户的使用分离（封装了底层实现），因此我们要给红黑树增加一个迭代器。
1.begin()和end()
STL中明确规定，begin()和end()代表的是一段前闭后开的区间。我们知道对红黑树进行中序遍历可以得到一个有序的序列，因此begin()可以放置在红黑树的最小节点处（即，最左节点），end()应该放置在红黑树最大节点的下一个位置。但是最大结点的下一个位置是什么呢？这个位置是nullptr吗？答案是不能是nullptr，因为对end()位置进行–操作要能找到最后一个元素，如果设置为nullptr就找不到最后一个结点了。 我们可以给红黑树增加一个header结点，让最大结点的next指向它
在这里插入图片描述
但是我们只是对它进行模拟，理解它的底层原理即可，为了不要让代码太过复杂，我们本次模拟实现就不设定header结点，直接让end()为nullptr即可（不实现–）。
在这里插入图片描述
2.operator++()
找迭代器的下一个结点（它的值一定比当前结点的值大）
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __RBTreeIterator
{
typedef RBTreeNode<T> Node;
typedef __RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;
typedef __RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
Node* _node;
__RBTreeIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
Self& operator++()
{
if (_node->_right)
{
Node* min = _node->_right;
while (min->_left)
{
min = min->_left;
}
_node = min;
}
else
{
Node* cur = _node;
Node* parent = _node->_parent;
while (parent && cur == parent->_right)
{
cur = cur->_parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
bool operator!=(const Self& s)
{
return _node != s._node;
}
bool operator==(const Self& s)
{
return _node == s._node;
}
};二、改造红黑树
namespace Jinger
{
enum Colour//结点颜色
{
RED,
BLACK,
};
template<class K,class V>
struct RBTreeNode//红黑树结点
{
pair<K, V> _kv;
typedef RBTreeNode<K, V> Node;
RBTreeNode(const pair<K,V>& kv)
:_kv(kv)
, _parent(nullptr)
, _left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _colour(RED)
{}
Node* _parent;
Node* _left;
Node* _right;
Colour _colour;
};
template<class K, class V>
struct __RBTreeIterator//迭代器
{
typedef RBTreeNode<K,V> Node;
typedef __RBTreeIterator<K,V> Self;
Node* _node;
__RBTreeIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
pair<K,V>& operator*()
{
return _node->_kv;
}
pair<K, V>* operator->()
{
return &_node->_kv;
}
Self& operator++()
{
if (_node->_right)
{
_node = _node->_right;
}
else
{
Node* parent = _node->_parent;
if (_node == parent->_left)
{
_node = parent;
}
else
{
while (parent && _node == parent->_right)
{
_node = parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent;
}
}
return *this;
}
bool operator!=(const Self& s)
{
return _node != s._node;
}
};
template<class K,class V>
struct RBTree
{
typedef RBTreeNode<K,V> Node;
typedef __RBTreeIterator<K,V> iterator;
RBTree()
:_root(nullptr)
{}
//左旋
void RotateL(Node* parent)
{
Node* SubR = parent->_right;
Node* SubRL = SubR->_left;
parent->_right = SubRL;
if (SubRL)
{
SubRL->_parent = parent;
}
Node* Grandpa = parent->_parent;
SubR->_left = parent;
parent->_parent = SubR;
if (!Grandpa)
{
_root = SubR;
SubR->_parent = nullptr;
}
else
{
if (parent == Grandpa->_left)
{
Grandpa->_left = SubR;
}
else
{
Grandpa->_right = SubR;
}
}
SubR->_parent = Grandpa;
}
//右旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* SubL = parent->_left;
Node* SubLR = SubL->_right;
Node* Grandpa = parent->_parent;
parent->_parent = SubL;
parent->_left = SubLR;
if (SubLR)
{
SubLR->_parent = parent;
}
if (!Grandpa)
{
_root = SubL;
SubL->_parent = nullptr;
}
else
{
if (parent == Grandpa->_left)
{
Grandpa->_left = SubL;
}
else
{
Grandpa->_right = SubL;
}
}
SubL->_right = parent;
}
iterator begin()
{
Node* cur = _root;
while (cur && cur->_left)
{
cur = cur->_left;
}
return iterator(cur);
}
iterator end()
{
return iterator(nullptr);
}
bool insert(const pair<K, V>& kv)
{
Node* newnode = new Node(kv);
if (!_root)//空树
{
_root = newnode;
_root->_colour = BLACK;
}
else
{
Node* parent = _root;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
parent = cur;
if (cur->_kv.first > kv.first)
{
cur = cur->_left;
}
else if (cur->_kv.first < kv.first)
{
cur = cur->_right;
}
else
{
return false;
}
}
if (parent->_kv.first > kv.first)
{
parent->_left = newnode;
}
else
{
parent->_right = newnode;
}
newnode->_parent = parent;
cur = newnode;
parent = cur->_parent;
if (parent->_colour == BLACK)//如果父亲的结点为黑色
{
return true;
}
while (parent && parent->_colour == RED)//如果parent为空，说明此时cur为根节点(如果调整到父节点为黑色就不需要再调整了）
{
Node* g = parent->_parent;//祖父
Node* u = nullptr;//叔叔结点
if (parent == g->_left)//如果父亲是祖父的左孩子，那么叔叔是祖父的右孩子
{
u = g->_right;
}
else
{
u = g->_left;
}
if (u && u->_colour == RED)
{
g->_colour = RED;
u->_colour = parent->_colour = BLACK;
cur = g;
parent = cur->_parent;
}
else//叔叔不存在/叔叔的结点为黑色
{
//parent是g的右孩子，cur是parent的右孩子(左单旋)
if (parent == g->_right && cur == parent->_right)
{
RotateL(g);
parent->_colour = BLACK;
g->_colour = RED;
}
//parent是g的左孩子，cur是parent的左孩子(右单旋)
else if (parent == g->_left && cur == parent->_left)
{
RotateR(g);
parent->_colour = BLACK;
g->_colour = RED;
}
//parent是g的左孩子，cur是parent的右孩子(左右双旋)
else if (parent == g->_left && cur == parent->_right)
{
RotateL(parent);
RotateR(g);
cur->_colour = BLACK;
g->_colour = RED;
}
//parent是g的右孩子，cur是parent的左孩子(右左双旋)
else if (parent == g->_right && cur == parent->_left)
{
RotateR(parent);
RotateL(g);
cur->_colour = BLACK;
g->_colour = RED;
}
break;
}
}
}
_root->_colour = BLACK;//性质2要求根节点的颜色为黑色
return true;
}
void inoder()
{
_inorder(_root);
}
void _inorder(Node* root)
{
if (!root) return;
_inorder(root->_left);
cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second<< " ";
_inorder(root->_right);
}
bool _isbalance(Node* root, int count, const int& leftcount)
{
if (root == nullptr)
{
if (count != leftcount)
{
cout << "每条路径黑色结点数不相同，违反了性质4" << endl;
return false;
}
else
{
return true;
}
}
if (root->_colour == RED && root->_parent->_colour == RED)
{
cout << "父亲结点和cur都是红色，违反了性质3" << endl;
return false;
}
if (root->_colour == BLACK)
{
count++;
}
bool left = _isbalance(root->_left, count, leftcount);
bool right = _isbalance(root->_right, count, leftcount);
return left && right;
}
bool isBalance()
{
if (_root == nullptr)
{
return true;
}
if (_root->_colour == RED)
{
cout << "根节点为红色，违反了性质2" << endl;
return false;
}
int leftcount = 0;
Node* cur = _root;
while (cur->_left)
{
if (cur->_colour == BLACK)
{
leftcount++;
}
cur = cur->_left;
}
cout << leftcount << endl;
return _isbalance(_root, 0, leftcount);
}
private:
Node* _root;
};
}三、map的模拟实现
map的底层结构就是一个红黑树，因此在map中直接封装一个红黑树，然后包装一下它的借口即可。
namespace Jinger
{
template<class K, class V>
class Map
{
struct MapKeyOfT
{
const K& operator()(const pair<const K, V>& kv)
{
return kv.first;
}
};
public:
typedef typename RBTree<K, pair< const K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator;
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
{
return _t.insert(kv);
}
V& operator[](const K& k)
{
pair<iterator, bool> ret = _t.insert(make_pair(k, V()));
return ret.first->second;
}
iterator& find(const K& k)
{
_t.find(k);
}
private:
Jinger::RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
};
}四、set的模拟实现
set的底层结构就是一个红黑树，因此在map中直接封装一个红黑树，然后包装一下它的借口即可。
namespace Jinger
{
template<class K>
class set
{
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& key)
{
return key;
}
};
public:
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;
iterator begin() const
{
return _t.begin();
}
iterator end() const
{
return _t.end();
}
pair<iterator, bool> insert(const K& key)
{
pair<typename RBTree<K,K,SetKeyOfT>::iterator,bool> ret = _t.insert(key);
return pair<iterator, bool>(ret.first, ret.second);
}
private:
RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
};
}总结
以上就是今天要讲的内容，本文介绍了如何用红黑树模拟实现map和set的相关概念。本文作者目前也是正在学习C++相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。 最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！
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原始发表：2023-04-18，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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