［转载］hash_map 原理 详解

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转载自：http://www.cppblog.com/kevinjee/archive/2008/12/01/68326.html

 

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
 <string>
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<int
>, equal_to<int
> > 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<int
> {
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<char
>
struct
 hash<unsigned
 char
>
struct
 hash<signed
 char
>
struct
 hash<short
>
struct
 hash<unsigned
 short
>
struct
 hash<int
>
struct
 hash<unsigned
 int
>
struct
 hash<long
>
struct
 hash<unsigned
 long
> 

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 . 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
 <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

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。