哈希表封装 myunordered_map/myunordered_set 实战：底层原理 + 完整实现 - 实践
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前言：
STL 中的
unordered_map和unordered_set以高效的增删查性能（平均 O (1) 时间复杂度）成为高频使用的关联式容器，其底层核心是哈希表（哈希桶）。但很多开发者只知其然不知其所以然 —— 如何基于哈希表封装出支持key-value存储和key-only存储的两种容器？如何解决哈希冲突？如何保证 key 的唯一性？本文结合核心思路，从哈希表的泛型设计入手，一步步拆解 myunordered_map 和 myunordered_set 的封装逻辑，包括哈希函数适配、冲突解决、迭代器实现、key 约束等关键细节，附完整可运行代码，帮你吃透哈希表在容器封装中的实战应用。
一. 源码及框架分析
SGI-STL30版本源代码中没有unordered_map和unordered_set，SGI-STL30版本是C++11之前的STL
版本，这两个容器是C++11之后才更新的。但是SGI-STL30实现了哈希表，只容器的名字是hash_map
和hash_set，他是作为非标准的容器出现的，非标准是指非C++标准规定必须实现的，源代码在hash_map/hash_set/stl_hash_map/stl_hash_set/stl_hashtable.h中
hash_map和hash_set的实现结构框架核心部分截取出来如下：
// stl_hash_set
template <class Value, class HashFcn = hash<Value>,
class EqualKey = equal_to<Value>, class Alloc = alloc>
class hash_set {
private:
typedef hashtable<Value, Value, HashFcn, identity<Value>, EqualKey, Alloc> ht;
ht rep;
public:
typedef typename ht::key_type key_type;
typedef typename ht::value_type value_type;
typedef typename ht::hasher hasher;
typedef typename ht::key_equal key_equal;
typedef typename ht::const_iterator iterator;
typedef typename ht::const_iterator const_iterator;
hasher hash_funct() const { return rep.hash_funct(); }
key_equal key_eq() const { return rep.key_eq(); }
};
// stl_hash_map
template <class Key, class T, class HashFcn = hash<Key>,
class EqualKey = equal_to<Key>, class Alloc = alloc>
class hash_map {
private:
typedef hashtable<pair<const Key, T>, Key, HashFcn,
select1st<pair<const Key, T>>, EqualKey, Alloc> ht;
ht rep;
public:
typedef typename ht::key_type key_type;
typedef T data_type;
typedef T mapped_type;
typedef typename ht::value_type value_type;
typedef typename ht::hasher hasher;
typedef typename ht::key_equal key_equal;
typedef typename ht::iterator iterator;
typedef typename ht::const_iterator const_iterator;
};
// stl_hashtable.h
template <class Value, class Key, class HashFcn, class ExtractKey,
class EqualKey, class Alloc>
class hashtable {
public:
typedef Key key_type;
typedef Value value_type;
typedef HashFcn hasher;
typedef EqualKey key_equal;
private:
hasher hash;
key_equal equals;
ExtractKey get_key;
typedef __hashtable_node<Value> node;
vector<node*, Alloc> buckets;
size_type num_elements;
public:
typedef __hashtable_iterator<Value, Key, HashFcn, ExtractKey, EqualKey,
Alloc>
iterator;
pair<iterator, bool> insert_unique(const value_type& obj);
const_iterator find(const key_type& key) const;
};
template <class Value> struct __hashtable_node {
__hashtable_node* next;
Value val;
};- 这里我们就不再画图分析了，通过源码可以看到，结构上hash_map和hash_set跟map和set的完全类似，复用同一个hashtable实现key和key/value结构，hash_set传给hash_table的是两个key，hash_map传给hash_table的是pair<const key,value>
- 需要注意的是源码里面跟map/set源码类似，命名风格比较乱，这里比map和set还乱，hash_set模板参数居然用的Value命名，hash_map用的是Key和T命名。
二. 核心设计思路：哈希表的泛型复用
myunordered_map 和 myunordered_set 复用同一哈希表底层，核心通过模板参数抽象和仿函数提取 key，实现 “一颗哈希表适配两种存储场景”：
- myunordered_set：存储单个 key（去重 + 无序），需提取 key 本身进行哈希和比较；
- myunordered_map：存储 key-value 对（key 去重 + 无序），需提取 pair 中的 first 作为 key 进行哈希和比较。
2.1 哈希表模板参数设计
哈希表需支持三种核心抽象，通过模板参数暴露接口，适配不同容器需求：
template<class K, class T, class KeyofT, class Hash>
class HashTable {
// K：哈希和查找时的key类型（myunordered_set为K，myunordered_map为K）
// T：哈希表节点存储的实际数据类型（myunordered_set为K，myunordered_map为pair<const K, V>）
// Hash：哈希函数仿函数（将K转为整形用于计算桶位置）
// KeyOfT：从T中提取K的仿函数（适配T的不同类型）
};三. 实现出复用哈希表的框架，并支持insert
- 参考源码框架，unordered_set 和 unordered_map 复用之前我们实现的哈希表。
- 我们这里相比源码调整一下，key参数就用K，value参数就用V，哈希表中的数据类型，我们使用T
- 其次跟map和set相比而言unordered_map和unordered_set的模拟实现类结构更复杂⼀点，但是⼤框架和思路是完全类似的。因为HashTable实现了泛型不知道T参数导致是K，还是pair<K, V>，那么insert内部进⾏插⼊时要⽤K对象转换成整形取模和K⽐较相等，因为pair的value不参与计算取模，且默认⽀持的是key和value⼀起⽐较相等，我们需要时的任何时候只需要⽐较K对象，所以我们在
unordered_map和unordered_set层分别实现⼀个MapKeyOfT和SetKeyOfT的仿函数传给HashTable的KeyOfT，然后HashTable中通过KeyOfT仿函数取出T类型对象中的K对象，再转换成整形取模和K⽐较相等，具体细节参考如下代码实现。
// MyUnorderedSet.h
namespace Lotso
{
template<class K,class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_set
{
struct SetKeyofT
{
// 仿函数：从T（pair<const K, V>）中提取key
const K& operator() (const K& key)
{
return key;
}
};
public:
bool insert(const K& key)
{
return _ht.Insert(key);
}
private:
hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyofT, Hash> _ht;
};
}// MyUnorderedMap.h
namespace Lotso
{
template<class K, class V,class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_map
{
struct MapKeyofT
{
// 仿函数：从T（pair<const K, V>）中提取key
const K& operator() (const pair<const K, V>& kv)
{
return kv.first;
}
};
public:
bool insert(const pair<K, V>& kv)
{
return _ht.Insert(kv);
}
private:
hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyofT, Hash> _ht;
};
}// HashTable.h
// 质数表(SGI STL 同款，用于扩容)
static const int __stl_num_primes = 28;
static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
{
53, 97, 193, 389, 769,
1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
49157, 98317, 196613, 393241, 786433,
1572869, 3145739, 6291469, 12582917, 25165843,
50331653, 100663319, 201326611, 402653189, 805306457,
1610612741, 3221225473, 4294967291
};
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
{
const unsigned long* first = __stl_prime_list;
const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
// >= n
const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}
// 哈希函数仿函数
template<class K>
struct HashFunc
{
size_t operator()(const K& key)
{
return (size_t)key;// 默认直接转换
}
};
// 特化string类型的哈希函数
template<>
struct HashFunc<string>
{
// BKDR字符串哈希算法
size_t operator()(const string& key)
{
size_t hash = 0;
for (auto ch : key)
{
hash += ch;// 累加字符ASCII码
hash *= 131;// 乘质数131，减少冲突
}
return hash;
}
};
namespace hash_bucket
{
template<class T>
struct HashNode
{
T _data;
HashNode<T>* _next;
HashNode(const T& data)
:_data(data)
, _next(nullptr)
{}
};
template<class K,class T ,class KeyofT,class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable
{
typedef HashNode<T> Node;
HashTable()
:_tables(__stl_next_prime(1), nullptr)
, _n(0)
{}
~HashTable()
{
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
Node* cur = _tables[i];
while (cur)
{
Node* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
_tables[i] = nullptr;
}
_n = 0;
}
bool Insert(const T& data)
{
KeyofT kot;
Hash hs;
// 先查找，避免重复插入
if (Find(kot(data)))
return false;
// 负载因子 == 1 就开始扩容
if (_n == _tables.size())
{
std::vector<Node*> newtables(__stl_next_prime(_tables.size() + 1), nullptr);
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
// 遍历旧表，旧表节点重新映射，挪动到新表
Node* cur = _tables[i];
while (cur)
{
Node* next = cur->_next;
// 头插
size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newtables.size();
cur->_next = newtables[hashi];
newtables[hashi] = cur;
cur = next;
}
_tables[i] = nullptr;
}
_tables.swap(newtables);
}
size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
// 头插
Node* newnode = new Node(data);
newnode->_next = _tables[hashi];
_tables[hashi] = newnode;
++_n;
return true;
}
private:
std::vector<Node*> _tables;
size_t _n;
};
}四. 实现iterator和map支持[]的功能
4.1 迭代器实现：支持哈希桶遍历
iterator实现思路分析：
- iterator实现的⼤框架跟list的iterator思路是⼀致的，⽤⼀个类型封装结点的指针，再通过重载运算
符实现，迭代器像指针⼀样访问的⾏为，要注意的是哈希表的迭代器是单向迭代器。 - 这⾥的难点是operator++的实现。iterator中有⼀个指向结点的指针，如果当前桶下⾯还有结点，则结点的指针指向下⼀个结点即可。如果当前桶⾛完了，则需要想办法计算找到下⼀个桶。这⾥的难点是反⽽是结构设计的问题，参考上⾯的源码，我们可以看到iterator中除了有结点的指针，还有哈希表对象的指针，这样当前桶⾛完了，要计算下⼀个桶就相对容易多了，⽤key值计算出当前桶位置，依次往后找下⼀个不为空的桶即可。
- begin()返回第⼀个桶中第⼀个节点指针构造的迭代器，这⾥end()返回迭代器可以⽤空表⽰。
- unordered_set的iterator也不⽀持修改，我们把unordered_set的第⼆个模板参数改成const K即可，
HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht; - unordered_map的iterator不⽀持修改key但是可以修改value，我们把unordered_map的第⼆个模板参数pair的第⼀个参数改成const K即可，
HashTable<K, pair<const K, V>,MapKeyOfT, Hash> _ht; - ⽀持完整的迭代器还有很多细节需要修改，具体参考最后的代码。
// 哈希表迭代器
template<class K, class T, class Hash, class KeyOfT, class Equal>
struct HashTableIterator
{
typedef HashNode<T> Node;
typedef HashTable<K, T, Hash, KeyOfT, Equal> HashTable;
typedef HashTableIterator Self;
Node* _node; // 当前指向的节点
HashTable* _ht; // 指向哈希表，用于桶切换
// 构造函数
HashTableIterator(Node* node, HashTable* ht)
: _node(node)
, _ht(ht)
{}
// 解引用运算符（返回节点数据引用）
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
// 箭头运算符（支持->访问成员，如map的first/second）
T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
// 前置++（核心：遍历当前桶所有节点后，切换到下一个非空桶）
Self& operator++()
{
if (_node->_next)
{
// 当前桶还有下一个节点，直接移动
_node = _node->_next;
}
else
{
// 当前桶遍历完毕，找下一个非空桶
K key = _ht->_kot(_node->_data);
size_t hashi = _ht->_hash(key) % _ht->_tables.size();
// 从当前桶的下一个桶开始查找
++hashi;
while (hashi < _ht->_tables.size())
{
if (_ht->_tables[hashi])
{
_node = _ht->_tables[hashi];
return *this;
}
++hashi;
}
// 所有桶遍历完毕，迭代器失效（指向nullptr）
_node = nullptr;
}
return *this;
}
// 相等判断
bool operator==(const Self& s) const
{
return _node == s._node;
}
// 不相等判断
bool operator!=(const Self& s) const
{
return _node != s._node;
}
};4.2 map支持[]
- unordered_map要⽀持[]主要需要修改insert返回值⽀持，修改HashTable中的insert返回值为
pair<Iterator, bool> Insert(const T& data) - 有了insert⽀持[]实现就很简单了，具体参考下⾯代码实现
五. 完整代码实现
5.1 HashTable.h
#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;
// 质数表(SGI STL 同款，用于扩容)
static const int __stl_num_primes = 28;
static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
{
53, 97, 193, 389, 769,
1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
49157, 98317, 196613, 393241, 786433,
1572869, 3145739, 6291469, 12582917, 25165843,
50331653, 100663319, 201326611, 402653189, 805306457,
1610612741, 3221225473, 4294967291
};
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
{
const unsigned long* first = __stl_prime_list;
const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
// >= n
const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}
// 哈希函数仿函数
template<class K>
struct HashFunc
{
size_t operator()(const K& key)
{
return (size_t)key;// 默认直接转换
}
};
// 特化string类型的哈希函数
template<>
struct HashFunc<string>
{
// BKDR字符串哈希算法
size_t operator()(const string& key)
{
size_t hash = 0;
for (auto ch : key)
{
hash += ch;// 累加字符ASCII码
hash *= 131;// 乘质数131，减少冲突
}
return hash;
}
};
namespace hash_bucket
{
template<class T>
struct HashNode
{
T _data;
HashNode<T>* _next;
HashNode(const T& data)
:_data(data)
, _next(nullptr)
{}
};
// 前置声明
template<class K, class T, class KeyofT, class Hash>
class HashTable;
template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyofT, class Hash>
struct HTIterator
{
typedef HashNode<T> Node;
typedef HashTable<K, T, KeyofT, Hash> HT;
typedef HTIterator<K, T, Ref, Ptr, KeyofT, Hash> Self;
Node* _node;
const HT* _pht;
HTIterator(Node* node,const HT* pht)
:_node(node)
,_pht(pht)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
Self& operator++()
{
if (_node->_next) //当前桶没走完
{
_node = _node->_next;
}
else //当前桶走完了，找到下一个桶的第一个结点
{
KeyofT kot;
Hash hs;
// 算出当前位置
size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_tables.size();
// ++到下一个位置
++hashi;
while (hashi < _pht->_tables.size())
{
if (_pht->_tables[hashi]) // 找到下一个不为空的桶
{
_node = _pht->_tables[hashi];
break;
}
else
{
++hashi;
}
}
if (hashi == _pht->_tables.size()) // 最后一个桶走完了，要++到end()位置
{
// end() 中_node是空
_node = nullptr;
}
}
return *this;
}
bool operator!=(const Self& s) const
{
return _node != s._node;
}
bool operator ==(const Self& s) const
{
return _node == s._node;
}
};
template<class K,class T ,class KeyofT,class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable
{
// 友元声明
template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyofT, class Hash>
friend struct HTIterator;
typedef HashNode<T> Node;
public:
typedef HTIterator<K, T, T&, T*, KeyofT, Hash> Iterator;
typedef HTIterator<K, T, const T&, const T*, KeyofT, Hash> ConstIterator;
Iterator Begin()
{
if (_n == 0)
{
return End();
}
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
if (_tables[i])
{
return Iterator(_tables[i],this);
}
}
return End();
}
Iterator End()
{
return Iterator(nullptr,this);
}
ConstIterator Begin() const
{
if (_n == 0)
{
return End();
}
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
if (_tables[i])
{
return ConstIterator(_tables[i],this);
}
}
return End();
}
ConstIterator End() const
{
return ConstIterator(nullptr,this);
}
HashTable()
:_tables(__stl_next_prime(1), nullptr)
, _n(0)
{}
~HashTable()
{
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
Node* cur = _tables[i];
while (cur)
{
Node* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
_tables[i] = nullptr;
}
_n = 0;
}
pair<Iterator,bool> Insert(const T& data)
{
KeyofT kot;
Hash hs;
// 先查找，避免重复插入
if (auto it = Find(kot(data));it!=End())
return {it,false};
// 负载因子 == 1 就开始扩容
if (_n == _tables.size())
{
std::vector<Node*> newtables(__stl_next_prime(_tables.size() + 1), nullptr);
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
// 遍历旧表，旧表节点重新映射，挪动到新表
Node* cur = _tables[i];
while (cur)
{
Node* next = cur->_next;
// 头插
size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newtables.size();
cur->_next = newtables[hashi];
newtables[hashi] = cur;
cur = next;
}
_tables[i] = nullptr;
}
_tables.swap(newtables);
}
size_t hashi = hs(kot(data)) % _tables.size();
// 头插
Node* newnode = new Node(data);
newnode->_next = _tables[hashi];
_tables[hashi] = newnode;
++_n;
return {Iterator(newnode,this),true};
}
Iterator Find(const K& key)
{
KeyofT kot;
Hash hs;
size_t hashi = hs(key) % _tables.size();
Node* cur = _tables[hashi];
while (cur)
{
if (kot(cur->_data) == key)
{
return { cur ,this};
}
cur = cur->_next;
}
return { nullptr,this };
}
bool Erase(const K& key)
{
KeyofT kot;
Hash hs;
size_t hashi = hs(key) % _tables.size();
Node* prev = nullptr;
Node* cur = _tables[hashi];
while (cur)
{
if (kot(cur->_data) == key)
{
// 删除
if (prev == nullptr)
{
// 桶中第一个节点
_tables[hashi] = cur->_next;
}
else
{
prev->_next = cur->_next;
}
--_n;
delete cur;
return true;
}
prev = cur;
cur = cur->_next;
}
return false;
}
private:
std::vector<Node*> _tables;
size_t _n;
};
}5.2 unordered_set.h
#pragma once
#include"HashTable.h"
namespace Lotso
{
template<class K,class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_set
{
struct SetKeyofT
{
// 仿函数：从T（pair<const K, V>）中提取key
const K& operator() (const K& key)
{
return key;
}
};
public:
typedef typename hash_bucket:: HashTable<K, const K, SetKeyofT, Hash>::Iterator iterator;
typedef typename hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyofT, Hash>::ConstIterator const_iterator;
iterator begin()
{
return _ht.Begin();
}
iterator end()
{
return _ht.End();
}
const_iterator begin() const
{
return _ht.Begin();
}
const_iterator end() const
{
return _ht.End();
}
pair<iterator, bool> insert(const K& key)
{
return _ht.Insert(key);
}
iterator find(const K& key)
{
return _ht.Find(key);
}
bool erase(const K& key)
{
return _ht.Erase(key);
}
private:
hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyofT, Hash> _ht;
};
}5.3 unordered_map.h
#pragma once
#include"HashTable.h"
namespace Lotso
{
template<class K, class V,class Hash = HashFunc<K>>
class unordered_map
{
struct MapKeyofT
{
// 仿函数：从T（pair<const K, V>）中提取key
const K& operator() (const pair<const K, V>& kv)
{
return kv.first;
}
};
public:
typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K,V>, MapKeyofT, Hash>::Iterator iterator;
typedef typename hash_bucket::HashTable<K, pair<const K,V>, MapKeyofT, Hash>::ConstIterator const_iterator;
iterator begin()
{
return _ht.Begin();
}
iterator end()
{
return _ht.End();
}
const_iterator begin() const
{
return _ht.Begin();
}
const_iterator end() const
{
return _ht.End();
}
pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)
{
return _ht.Insert(kv);
}
V& operator[](const K& key)
{
pair <iterator, bool> ret = insert({ key,V() });
return ret.first->second;
}
iterator find(const K& key)
{
return _ht.Find(key);
}
bool erase(const K& key)
{
return _ht.Erase(key);
}
private:
hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyofT, Hash> _ht;
};
}5.4 测试代码(test.cpp)
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"HashTable.h"
#include"unordered_set.h"
#include"unordered_map.h"
void Print(const Lotso::unordered_set<int>& s)
{
Lotso::unordered_set<int>::const_iterator it = s.begin();
while (it != s.end())
{
// *it = 1;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
int main()
{
Lotso::unordered_set<int> us;
us.insert(3);
us.insert(1000);
us.insert(2);
us.insert(102);
us.insert(2111);
us.insert(22);
Lotso::unordered_set<int>::iterator it = us.begin();
while (it != us.end())
{
//*it = 1;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
Print(us);
Lotso::unordered_map<string, string> dict;
dict.insert({ "string", "字符串" });
dict.insert({ "string", "字符串" });
dict.insert({ "left", "左边" });
dict.insert({ "right", "右边" });
// 修改
dict["left"] = "左边,剩余";
// 插入
dict["insert"];
// 插入+修改
dict["map"] = "地图";
for (auto& [k, v] : dict)
{
//k += 'x';
//v += 'x';
cout << k << ":" << v << endl;
}
return 0;
}结尾：
我是草莓熊 Lotso！若这篇技术干货帮你打通了学习中的卡点：
【关注】跟我一起深耕技术领域，从基础到进阶，见证每一次成长
❤️ 【点赞】让优质内容被更多人看见，让知识传递更有力量
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【评论】分享你的经验或疑问（比如曾踩过的技术坑？），一起交流避坑
️ 【投票】用你的选择助力社区内容方向，告诉大家哪个技术点最该重点拆解
技术之路难免有困惑，但同行的人会让前进更有方向～愿我们都能在自己专注的领域里，一步步靠近心中的技术目标！结语：myunordered_map 和 myunordered_set 的封装核心是 “哈希表泛型复用 + 仿函数解耦”—— 通过模板参数抽象不同容器的存储需求，用仿函数屏蔽 key 提取、哈希计算、相等比较的差异，最终实现 “一套底层哈希表，支撑两种容器功能”。掌握这套封装逻辑，不仅能理解 STL unordered 系列容器的底层实现，更能学会 “泛型编程 + 接口抽象” 的设计思想，在实际开发中灵活适配不同存储场景。如果需要扩展功能（如支持自定义哈希函数、解决极端哈希冲突），可基于本文代码进一步优化。
✨把这些内容吃透超牛的！放松下吧✨ ʕ˘ᴥ˘ʔ づきらど
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