linbo0518
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# C++ STL源码剖析之unordered_map、unordered_multimap、unordered_set、unordered_multiset
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## 0.导语
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前面学到了hashtable，而这节是hashtable的容器适配器：unordered_map。
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所以无序map的底层容器采用hashtable。
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unordered_map与unordered_multimap的源码在`unordered_map.h`这个文件中。
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## 1.unordered_map与unordered_multimap本质区别
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先来看一下unordered_map源码：
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```cpp
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template<class _Key, class _Tp,
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class _Hash = hash<_Key>,
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class _Pred = std::equal_to<_Key>,
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class _Alloc = std::allocator<std::pair<const _Key, _Tp> > >
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class unordered_map
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{
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typedef __umap_hashtable<_Key, _Tp, _Hash, _Pred, _Alloc> _Hashtable;
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_Hashtable _M_h;
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};
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```
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去看底层容器的`__umap_hashtable`的声明：
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```cpp
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template<bool _Cache>
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using __umap_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, false, true>;
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template<typename _Key,
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typename _Tp,
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typename _Hash = hash<_Key>,
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typename _Pred = std::equal_to<_Key>,
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typename _Alloc = std::allocator<std::pair<const _Key, _Tp> >,
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typename _Tr = __umap_traits<__cache_default<_Key, _Hash>::value>>
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using __umap_hashtable = _Hashtable<_Key, std::pair<const _Key, _Tp>,
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_Alloc, __detail::_Select1st,
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_Pred, _Hash,
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__detail::_Mod_range_hashing,
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__detail::_Default_ranged_hash,
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__detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;
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```
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可以得到下面结论:
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hashtable的模板参数：
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```cpp
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template<typename _Key, typename _Value, typename _Alloc,
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typename _ExtractKey, typename _Equal,
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typename _H1, typename _H2, typename _Hash,
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typename _RehashPolicy, typename _Traits>
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```
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默认情况下，unordered_map采用：
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- H1为hash<key>
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- H2为_Mod_range_hashing
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- _Hash为_Default_ranged_hash
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- _RehashPolicy为_Prime_rehash_policy
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- _Traits为_Tr
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对于最后的_Tr,非常重要，因为正是因为这个参数，才有unordered_multimap。
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具体分析看下面：
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_Tr如下：
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```cpp
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typename _Tr = __umap_traits<__cache_default<_Key, _Hash>::value>>
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```
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_Tr使用了`__umap_traits`，我们继续往下看：
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```cpp
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template<bool _Cache>
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using __umap_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, false, true>;
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```
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可以对比上述两个发现__umap_traits里面有一串__cache_default，我们再看一下模板参数为bool类型，故可以打印出来是false还是true，经过实测，为false，表示不缓存hash code。
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```cpp
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template<typename _Tp, typename _Hash>
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using __cache_default
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= __not_<__and_<__is_fast_hash<_Hash>,
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__detail::__is_noexcept_hash<_Tp, _Hash>>>;
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```
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继续看`__umap_traits`，这个实际上是调用`_Hashtable_traits`，我们继续往下：
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```cpp
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template<bool _Cache_hash_code, bool _Constant_iterators, bool _Unique_keys>
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struct _Hashtable_traits
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{
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using __hash_cached = __bool_constant<_Cache_hash_code>;
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using __constant_iterators = __bool_constant<_Constant_iterators>;
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using __unique_keys = __bool_constant<_Unique_keys>;
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};
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```
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看到有三个using，理解为三个typedef，依次表示：hash code缓存与否，是否是常迭代器，是否是唯一的key，再往上回头看，传递进来的是三个模板参数，分别是false,false,true，也验证了unordered_map是唯一的key，那么对应的unordered_multimap就是不唯一的key，最后一个参数为false。我们翻阅到相应代码如下：
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```cpp
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/// Base types for unordered_multimap.
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template<bool _Cache>
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using __ummap_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, false, false>;
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```
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小结，在上面分析，我们知道了unordered_map与unordered_multimap的本质区别，也发现了如何在底层源码上用一个容器实现两个容器适配器！
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## 2.unordered_set与unordered_multiset本质区别
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分析同前面一样，先看unordered_set:
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```cpp
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template<class _Value,
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class _Hash = hash<_Value>,
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class _Pred = std::equal_to<_Value>,
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class _Alloc = std::allocator<_Value> >
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class unordered_set
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{
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typedef __uset_hashtable<_Value, _Hash, _Pred, _Alloc> _Hashtable;
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_Hashtable _M_h;
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}
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template<bool _Cache>
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using __uset_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, true, true>;
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template<typename _Value,
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typename _Hash = hash<_Value>,
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typename _Pred = std::equal_to<_Value>,
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typename _Alloc = std::allocator<_Value>,
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typename _Tr = __uset_traits<__cache_default<_Value, _Hash>::value>>
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||
using __uset_hashtable = _Hashtable<_Value, _Value, _Alloc,
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||
__detail::_Identity, _Pred, _Hash,
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||
__detail::_Mod_range_hashing,
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__detail::_Default_ranged_hash,
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__detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;
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```
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可以看到传递给`_Hashtable_traits`的是false,true,true。对于unordered_set来说使用的是const iterator与唯一的key,我们再看一下unordered_multiset：
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```cpp
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template<bool _Cache>
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using __umset_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, true, false>;
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```
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再将两者对比一下，本质就是unordered_set不允许key重复，而unordered_multiset允许key重复。
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## 3.三大结论
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现在，我们有了前面基础，依次列出前面四个容器适配器：
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(1) unordered_map
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```cpp
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template<bool _Cache>
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using __umap_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, false, true>;
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```
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(2) unordered_multimap
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```cpp
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template<bool _Cache>
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using __umap_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, false, false>;
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```
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(3) unordered_set
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```cpp
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template<bool _Cache>
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using __uset_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, true, true>;
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```
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(4) unordered_multiset
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```cpp
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template<bool _Cache>
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using __uset_traits = __detail::_Hashtable_traits<_Cache, true, false>;
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```
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对比后，得出
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- 结论1：unordered_map与unordered_set不允许key重复,而带multi的则允许key重复；
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- 结论2：unordered_map与unordered_multimap采用的迭代器是iterator，而unordered_set与unordered_multiset采用的迭代器是const_iterator。
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- 结论3：unordered_map与unordered_multimap的key是key，value是key+value；而unordered_set与unordered_multiset的key是Value，Value也是Key。
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最后一个结论对比看下面(我们看传递给hashtable的第一与第二个参数)：
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unordered_map与unordered_multimap：
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```cpp
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using __umap_hashtable = _Hashtable<_Key,
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std::pair<const _Key, _Tp>,
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_Alloc, __detail::_Select1st,
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_Pred, _Hash,
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__detail::_Mod_range_hashing,
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||
__detail::_Default_ranged_hash,
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||
__detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;
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```
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unordered_set与unordered_multiset：
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```cpp
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template<typename _Value,
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||
typename _Hash = hash<_Value>,
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typename _Pred = std::equal_to<_Value>,
|
||
typename _Alloc = std::allocator<_Value>,
|
||
typename _Tr = __uset_traits<__cache_default<_Value, _Hash>::value>>
|
||
using __uset_hashtable = _Hashtable<_Value, _Value, _Alloc,
|
||
__detail::_Identity, _Pred, _Hash,
|
||
__detail::_Mod_range_hashing,
|
||
__detail::_Default_ranged_hash,
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||
__detail::_Prime_rehash_policy, _Tr>;
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```
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## 4.unordered_map重要函数
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> 初始化
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可以在下面的构造函数中看到unordered_map的默认桶数为10。
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在unordered_map的底层默认采用hasher(),也就是H1,也就是std::hash
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```cpp
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unordered_map(size_type __n = 10,
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const hasher& __hf = hasher(),
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const key_equal& __eql = key_equal(),
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const allocator_type& __a = allocator_type())
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: _M_h(__n, __hf, __eql, __a)
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{ }
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```
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下面测试是否采用默认的hash：
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```cpp
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unordered_map<string,int> um;
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hash<string> h;
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cout<<um.hash_function()("hhhhhawq")<<endl;
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cout<<h("hhhhhawq")<<endl;
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```
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输出：
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```cpp
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9074142923776869151
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9074142923776869151
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```
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进一步验证了采用默认的hash。
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> 是否空、大小、最大大小
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```cpp
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bool
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empty() const noexcept
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{ return _M_h.empty(); }
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/// Returns the size of the %unordered_map.
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size_type
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||
size() const noexcept
|
||
{ return _M_h.size(); }
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||
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||
/// Returns the maximum size of the %unordered_map.
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||
size_type
|
||
max_size() const noexcept
|
||
{ return _M_h.max_size(); }
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||
```
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||
> begin与end
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||
```cpp
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||
iterator
|
||
begin() noexcept
|
||
{ return _M_h.begin(); }
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||
iterator
|
||
end() noexcept
|
||
{ return _M_h.end(); }
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```
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> insert
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五种插入方式
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```cpp
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// value
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std::pair<iterator, bool>
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insert(const value_type& __x)
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||
{ return _M_h.insert(__x); }
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||
// pair
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||
std::pair<iterator, bool>
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insert(_Pair&& __x)
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||
{ return _M_h.insert(std::forward<_Pair>(__x)); }
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||
// iterator+value
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||
iterator
|
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insert(const_iterator __hint, const value_type& __x)
|
||
{ return _M_h.insert(__hint, __x); }
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||
// first到last范围插入
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template<typename _InputIterator>
|
||
void
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insert(_InputIterator __first, _InputIterator __last)
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{ _M_h.insert(__first, __last); }
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||
// 初始化列表插入
|
||
|
||
void
|
||
insert(initializer_list<value_type> __l)
|
||
{ _M_h.insert(__l); }
|
||
```
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||
> 删除
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三种删除方式
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```cpp
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||
// iterator
|
||
iterator
|
||
erase(iterator __position)
|
||
{ return _M_h.erase(__position); }
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// key
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size_type
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||
erase(const key_type& __x)
|
||
{ return _M_h.erase(__x); }
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||
// first到last范围
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||
|
||
iterator
|
||
erase(const_iterator __first, const_iterator __last)
|
||
{ return _M_h.erase(__first, __last);
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```
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||
> 清除
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||
```cpp
|
||
void
|
||
clear() noexcept
|
||
{ _M_h.clear(); }
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```
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> hash_function
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得到该unordered_map的hash_function
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```cpp
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||
hasher
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||
hash_function() const
|
||
{ return _M_h.hash_function(); }
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```
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||
使用：
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```cpp
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||
unordered_map<string,int> um;
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||
cout<<um.hash_function()("hhhhhawq")<<endl; //传递的内容要与上面key类型一致。
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```
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> key_eq
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||
key_eq返回的是std::equal_to
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使用如下：
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```cpp
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||
unordered_map<string,int> um;
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||
cout<<um.key_eq()("1","2")<<endl;
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||
```
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||
> 查找与获取value
|
||
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||
```cpp
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||
iterator
|
||
find(const key_type& __x)
|
||
{ return _M_h.find(__x); }
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mapped_type&
|
||
operator[](const key_type& __k)
|
||
{ return _M_h[__k]; }
|
||
mapped_type&
|
||
at(const key_type& __k)
|
||
{ return _M_h.at(__k); }
|
||
```
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除了这些函数还有获取桶，最大桶数、加载因子、rehash等等，就是没有排序，因为hashtable没有提供排序功能。hashtable在查找、删除和插入节点是常数时间，优于RB-Tree红黑树。
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同理，unordered_set、unordered_multiset、unordered_multimap与unordered_map一样的函数，所以就不阐述了。 |