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0 為什么需要hash_map

用過map吧？map提供一個很常用的功能，那就是提供key-value的存儲和查找功能。例如，我要記錄一個人名和相應的存儲，而且隨時增加，要快速查找和修改：

                          岳不群－華山派掌門人，人稱君子劍
張三豐－武當掌門人，太極拳創始人
東方不?。谝桓呤?，葵花寶典
...

這些信息如果保存下來并不復雜，但是找起來比較麻煩。例如我要找"張三豐"的信息，最傻的方法就是取得所有的記錄，然后按照名字一個一個比較。如果要速度快，就需要把這些記錄按照字母順序排列，然后按照二分法查找。但是增加記錄的時候同時需要保持記錄有序，因此需要插入排序?？紤]到效率，這就需要用到二叉樹。講下去會沒完沒了，如果你使用STL 的map容器，你可以非常方便的實現這個功能，而不用關心其細節。關于map的數據結構細節，感興趣的朋友可以參看學習STL map, STL set之數據結構基礎。看看map的實現:

                          
                #include
              
               <map>

              
                #include
              
               <string>

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


              
                //增加。。。
              
              
namemap["
              
                岳不群
              
              "]="
              
                華山派掌門人，人稱君子劍
              
              ";
namemap["
              
                張三豐
              
              "]="
              
                武當掌門人，太極拳創始人
              
              ";
namemap["
              
                東方不敗
              
              "]="
              
                第一高手，葵花寶典
              
              ";
...


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

不覺得用起來很easy嗎？而且效率很高，100萬條記錄，最多也只要20次的string.compare的比較，就能找到你要找的記錄;200萬條記錄事，也只要用21次的比較。

速度永遠都滿足不了現實的需求。如果有100萬條記錄，我需要頻繁進行搜索時，20次比較也會成為瓶頸，要是能降到一次或者兩次比較是否有可能？而且當記錄數到200萬的時候也是一次或者兩次的比較，是否有可能？而且還需要和map一樣的方便使用。

答案是肯定的。這時你需要has_map. 雖然hash_map目前并沒有納入C++ 標準模板庫中，但幾乎每個版本的STL都提供了相應的實現。而且應用十分廣泛。在正式使用hash_map之前，先看看hash_map的原理。

1 數據結構：hash_map原理

這是一節讓你深入理解hash_map的介紹，如果你只是想囫圇吞棗，不想理解其原理，你倒是可以略過這一節，但我還是建議你看看，多了解一些沒有壞處。

hash_map基于hash table（哈希表）。哈希表最大的優點，就是把數據的存儲和查找消耗的時間大大降低，幾乎可以看成是常數時間；而代價僅僅是消耗比較多的內存。然而在當前可利用內存越來越多的情況下，用空間換時間的做法是值得的。另外，編碼比較容易也是它的特點之一。

其基本原理是：使用一個下標范圍比較大的數組來存儲元素?？梢栽O計一個函數（哈希函數，也叫做散列函數），使得每個元素的關鍵字都與一個函數值（即數組下標，hash值）相對應，于是用這個數組單元來存儲這個元素；也可以簡單的理解為，按照關鍵字為每一個元素“分類”，然后將這個元素存儲在相應“類”所對應的地方，稱為桶。

但是，不能夠保證每個元素的關鍵字與函數值是一一對應的，因此極有可能出現對于不同的元素，卻計算出了相同的函數值，這樣就產生了“沖突”，換句話說，就是把不同的元素分在了相同的“類”之中。總的來說，“直接定址”與“解決沖突”是哈希表的兩大特點。

hash_map，首先分配一大片內存，形成許多桶。是利用hash函數，對key進行映射到不同區域（桶）進行保存。其插入過程是：

得到key
通過hash函數得到hash值
得到桶號(一般都為hash值對桶數求模)
存放key和value在桶內。

其取值過程是:

得到key
通過hash函數得到hash值
得到桶號(一般都為hash值對桶數求模)
比較桶的內部元素是否與key相等，若都不相等，則沒有找到。
取出相等的記錄的value。

hash_map中直接地址用hash函數生成，解決沖突，用比較函數解決。這里可以看出，如果每個桶內部只有一個元素，那么查找的時候只有一次比較。當許多桶內沒有值時，許多查詢就會更快了(指查不到的時候).

由此可見，要實現哈希表, 和用戶相關的是：hash函數和比較函數。這兩個參數剛好是我們在使用hash_map時需要指定的參數。

2 hash_map 使用

2.1 一個簡單實例

不要著急如何把"岳不群"用hash_map表示，我們先看一個簡單的例子：隨機給你一個ID號和ID號相應的信息，ID號的范圍是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]="
              
                唐伯虎點秋香
              
              ";
        mymap[1000000]="
              
                百萬富翁的生活
              
              ";
        mymap[10000]="
              
                白領的工資底線
              
              ";
        ...
        
              
                if
              
              (mymap.find(10000) != mymap.end()){
                ...
        }

夠簡單，和map使用方法一樣。這時你或許會問？hash函數和比較函數呢？不是要指定么？你說對了，但是在你沒有指定hash函數和比較函數的時候，你會有一個缺省的函數，看看hash_map的聲明，你會更加明白。下面是SGI STL的聲明：

                          
                template
              
               <
              
                class
              
               _Key, 
              
                class
              
               _Tp, 
              
                class
              
               _HashFcn = hash<_Key>,

              
                class
              
               _EqualKey = equal_to<_Key>,

              
                class
              
               _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >

              
                class
              
               hash_map
{
        ...
}

也就是說，在上例中，有以下等同關系：

                          ...
hash_map<
              
                int
              
              , string> mymap;

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

Alloc我們就不要取關注太多了(希望深入了解Allocator的朋友可以參看標準庫 STL ：Allocator能做什么 )

2.2 hash_map 的hash函數

hash< int>到底是什么樣子？看看源碼:

原來是個函數對象。在SGI STL中，提供了以下hash函數：

也就是說，如果你的key使用的是以上類型中的一種，你都可以使用缺省的hash函數。當然你自己也可以定義自己的hash函數。對于自定義變量，你只能如此，例如對于string，就必須自定義hash函數。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);
        }
};

              
                //如果你希望利用系統定義的字符串hash函數，你可以這樣寫：
              
              
                struct
              
               str_hash{
        size_t 
              
                operator
              
              ()(
              
                const
              
               string& str) 
              
                const
              
              
        {
                
              
                return
              
               __stl_hash_string(str.c_str());
        }
};

在聲明自己的哈希函數時要注意以下幾點：

使用struct，然后重載operator().
返回是size_t
參數是你要hash的key的類型。
函數是const類型的。

如果這些比較難記，最簡單的方法就是照貓畫虎，找一個函數改改就是了。

現在可以對開頭的"岳不群"進行哈?；? . 直接替換成下面的聲明即可：

                          map<string, string> namemap; 

              
                //改為：
              
              
hash_map<string, string, str_hash> namemap;

其他用法都不用邊。當然不要忘了吧str_hash的聲明以及頭文件改為hash_map。

你或許會問：比較函數呢？別著急，這里就開始介紹hash_map中的比較函數。

2.3 hash_map 的比較函數

在map中的比較函數，需要提供less函數。如果沒有提供，缺省的也是less< Key> 。在hash_map中，要比較桶內的數據和key是否相等，因此需要的是是否等于的函數:equal_to< Key> 。先看看equal_to的源碼：

                          
                //本代碼可以從SGI STL
              
              
                //先看看binary_function 函數聲明，其實只是定義一些類型而已。
              
              
                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的定義：
              
              
                template
              
               <
              
                class
              
               _Tp>

              
                struct
              
               equal_to : 
              
                public
              
               binary_function<_Tp,_Tp,
              
                bool
              
              >
{
        
              
                bool
              
              
                operator
              
              ()(
              
                const
              
               _Tp& __x, 
              
                const
              
               _Tp& __y) 
              
                const
              
               { 
              
                return
              
               __x == __y; }
};

如果你使用一個自定義的數據類型，如struct mystruct, 或者const char* 的字符串，如何使用比較函數？使用比較函數，有兩種方法. 第一種是：重載==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) ;
        }
};

這樣，就可以使用equal_to< mystruct>作為比較函數了。另一種方法就是使用函數對象。自定義一個比較函數體：

                          
                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
              
              "]="
              
                華山派掌門人，人稱君子劍
              
              ";
namemap["
              
                張三豐
              
              "]="
              
                武當掌門人，太極拳創始人
              
              ";
namemap["
              
                東方不敗
              
              "]="
              
                第一高手，葵花寶典
              
              ";

2.4 hash_map 函數

hash_map的函數和map的函數差不多。具體函數的參數和解釋，請參看： STL 編程手冊：Hash_map ，這里主要介紹幾個常用函數。

hash_map(size_type n) 如果講究效率，這個參數是必須要設置的。n 主要用來設置hash_map 容器中hash桶的個數。桶個數越多，hash函數發生沖突的概率就越小，重新申請內存的概率就越小。n越大，效率越高，但是內存消耗也越大。
const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找，輸入為鍵值，返回為迭代器。
data_type& operator[](const key_type& k) . 這是我最常用的一個函數。因為其特別方便，可像使用數組一樣使用。不過需要注意的是，當你使用[key ]操作符時，如果容器中沒有key元素，這就相當于自動增加了一個key元素。因此當你只是想知道容器中是否有key元素時，你可以使用find。如果你希望插入該元素時，你可以直接使用[]操作符。
insert 函數。在容器中不包含key值時，insert函數和[]操作符的功能差不多。但是當容器中元素越來越多，每個桶中的元素會增加，為了保證效率，hash_map會自動申請更大的內存，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。
erase 函數。在insert的過程中，當每個桶的元素太多時，hash_map可能會自動擴充容器的內存。但在sgi stl中是erase并不自動回收內存。因此你調用erase后，其他元素的iterator還是可用的。

3 相關hash容器

hash 容器除了hash_map之外，還有hash_set, hash_multimap, has_multiset, 這些容器使用起來和set, multimap, multiset的區別與hash_map和map的區別一樣，我想不需要我一一細說了吧。

4 其他

這里列幾個常見問題，應該對你理解和使用hash_map比較有幫助。

4.1 hash_map和map的區別在哪里？

構造函數。hash_map需要hash函數，等于函數；map只需要比較函數(小于函數).
存儲結構。hash_map采用hash表存儲，map一般采用紅黑樹(RB Tree) 實現。因此其memory數據結構是不一樣的。

4.2 什么時候需要用hash_map，什么時候需要用map?

總體來說，hash_map 查找速度會比map快，而且查找速度基本和數據數據量大小，屬于常數級別;而map的查找速度是log(n)級別。并不一定常數就比log(n)小，hash還有hash函數的耗時，明白了吧，如果你考慮效率，特別是在元素達到一定數量級時，考慮考慮hash_map。但若你對內存使用特別嚴格，希望程序盡可能少消耗內存，那么一定要小心，hash_map可能會讓你陷入尷尬，特別是當你的hash_map對象特別多時，你就更無法控制了，而且hash_map的構造速度較慢。

現在知道如何選擇了嗎？權衡三個因素: 查找速度, 數據量, 內存使用。

這里還有個關于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中加入自己定義的類型?

你只要做兩件事, 定義hash函數，定義等于比較函數。下面的代碼是一個例子：

                          -bash-2.05b$ cat my.cpp

              
                #include
              
               <hash_map>

              
                #include
              
               <string>

              
                #include
              
               <iostream>


              
                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<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

4.4如何用hash_map替換程序中已有的map容器？

這個很容易，但需要你有良好的編程風格。建議你盡量使用typedef來定義你的類型：

                          
                typedef
              
               map<Key, Value> KeyMap;

當你希望使用hash_map來替換的時候，只需要修改:

                          
                typedef
              
               hash_map<Key, Value> KeyMap;

其他的基本不變。當然，你需要注意是否有Key類型的hash函數和比較函數。

4.5為什么hash_map不是標準的？

具體為什么不是標準的，我也不清楚，有個解釋說在STL加入標準C++之時，hash_map系列當時還沒有完全實現，以后應該會成為標準。如果誰知道更合理的解釋，也希望告訴我。但我想表達的是，正是因為hash_map不是標準的，所以許多平臺上安裝了g++編譯器，不一定有hash_map的實現。我就遇到了這樣的例子。因此在使用這些非標準庫的時候，一定要事先測試。另外，如果考慮到平臺移植，還是少用為佳。

C++ STL中哈希表 hash_map介紹

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