详细介绍：【探寻C++之旅】第十六章：unordered系列的认识与模拟实现
前言
今天，我们继续踏入追寻C++的冒险历程。上一章我们讲解了数据结构哈希表，那么本章让我们用哈希表来模拟实现一下C++STL中的unordered_map和unordered_set。下面让我们一起来进入本章的学习。
1. 了解unordered系列
在 C++ STL（标准模板库）中，unordered_map 和 unordered_set 是两种基于哈希表（Hash Table） 实现的关联式容器，核心特点是无序存储、平均时间复杂度 O (1) 的增删查操作，但需注意哈希冲突对性能的影响。二者设计目标不同（键值对存储 vs 单一值存储），但底层原理和核心特性高度相似。
1.1 初步认识
unordered_set：
unordered_set的声明如下，Key就是unordered_set底层关键字的类型
template < class Key, // unordered_set::key_type/value_type
class Hash = hash<Key>, // unordered_set::hasher
class Pred = equal_to<Key>, // unordered_set::key_equal
class Alloc = allocator<Key> // unordered_set::allocator_type
> class unordered_set;unordered_set默认要求Key⽀持转换为整形，如果不⽀持或者想按⾃⼰的需求⾛可以⾃⾏实现⽀持将Key转成整形的仿函数传给第⼆个模板参数unordered_set默认要求Key⽀持⽐较相等，如果不⽀持或者想按⾃⼰的需求⾛可以⾃⾏实现⽀持将Key⽐较相等的仿函数传给第三个模板参数unordered_set底层存储数据的内存是从空间配置器申请的，如果需要可以⾃⼰实现内存池，传给第四个参数。
⼀般情况下，我们都不需要传后三个模板参数。unordered_set迭代器遍历不再有序，为了跟set区分，所以取名unordered_set。前⾯部分我们已经学习了set容器的使⽤，set和unordered_set的功能⾼度相似，只是底层结构不同，有⼀些性能和使⽤的差异，下面会讲他们的差异部分。
unordered_map：
unoredered_map的声明如下：
template < class Key, // unordered_map::key_type
class T, // unordered_map::mapped_type
class Hash = hash<Key>, // unordered_map::hasher
class Pred = equal_to<Key>, // unordered_map::key_equal
> class unordered_map;unordered_map 和 unordered_set 共享相同的底层实现逻辑 ——链式哈希表（哈希桶），这决定了它们的共同特性：
存储结构：哈希桶（Hash Bucket）
底层由「数组 + 链表 / 红黑树」组成：
- 哈希数组（桶数组）：数组的每个元素称为一个「桶（Bucket）」，桶的索引由「键的哈希值 % 桶数组大小」计算得出；
- 解决哈希冲突：当两个不同的键计算出相同的桶索引时（哈希冲突），桶内会通过「链表」存储冲突元素（C++11 后部分实现会在链表长度超过阈值时转为红黑树，进一步优化查询效率）。
这种结构的核心优势是：平均情况下，增删查操作的时间复杂度为 O (1)（直接通过哈希值定位桶，再遍历桶内短链表）；最坏情况（所有键哈希冲突）下复杂度为 O (n)（退化为单链表遍历）。
无序性：
与 map/set（基于红黑树实现，有序存储）不同，unordered_map/unordered_set 的元素不按键的大小排序，存储顺序完全由键的哈希值决定，因此遍历结果是 “随机无序” 的。
键的唯一性：
二者均要求「键（Key）不可重复」：
- 插入已存在的键时，
insert函数会返回pair<iterator, bool>，其中bool为false，表示插入失败，迭代器指向已存在的旧键； - 无法通过任何接口修改已插入的键（
unordered_map的键被封装为const K，unordered_set的值本身就是键），只能删除后重新插入。
哈希函数与自定义键：
默认情况下，二者使用 STL 提供的 std::hash 模板计算键的哈希值（支持 int、string、double 等基础类型）；若存储自定义类型（如自定义结构体），需手动提供哈希函数（通过模板参数传入，如 unordered_map<MyStruct, int, MyHashFunc>），同时确保哈希函数满足：
- 相同的键必须生成相同的哈希值；
- 不同的键尽量生成不同的哈希值（减少冲突）。
1.2 核心差异
存储内容与使用场景：
unordered_map 和 unordered_set 的本质区别在于存储的元素类型，这直接决定了它们的使用场景：
| 特性 | unordered_map | unordered_set |
|---|---|---|
| 存储元素 | 键值对（std::pair<const K, V>） | 单一值（const K，值即键） |
| 核心功能 | 通过键快速查找对应的值（键值映射） | 快速判断一个值是否存在（去重、判重） |
| 关键接口差异 | 支持 operator[]（通过键访问 / 修改值） | 无 operator[]（仅需判断值是否存在） |
| 迭代器解引用结果 | 指向键值对（pair<const K, V>），可通过 ->first 访问键、->second 访问值 | 指向单一值（const K），解引用直接得到键 |
| 典型使用场景 | 字典（如单词 - 翻译映射）、缓存（如 ID - 用户信息映射） | 去重（如统计数组中不重复元素）、快速判重（如判断用户是否在黑名单） |
1.3 使用示例
unordered_map 常用接口：
示例：
#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
// 1. 定义 unordered_map（键：string，值：int）
unordered_map<string, int> score_map;
// 2. 插入键值对（三种方式）
score_map.insert({"Alice", 95}); // 列表初始化
score_map.insert(pair<string, int>("Bob", 88)); // pair 构造
score_map["Charlie"] = 92; // operator[] 插入（不存在则新建，存在则修改值）
// 3. 查找键（find 返回迭代器，未找到则返回 end()）
auto it = score_map.find("Bob");
if (it != score_map.end()) {
cout << "Bob's score: " << it->second << endl; // 访问值：it->second
}
// 4. 修改值（通过 operator[] 或迭代器）
score_map["Bob"] = 90; // operator[] 直接修改
it->second = 90; // 迭代器修改（需确保迭代器有效）
// 5. 遍历（无序）
for (const auto& kv : score_map) {
cout << kv.first << ": " << kv.second << endl; // kv.first 是键，kv.second 是值
}
// 6. 删除键
score_map.erase("Charlie");
return 0;
}unordered_set 常用接口：
示例：
#include <iostream>
#include <unordered_set>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
// 1. 定义 unordered_set（存储 int 类型，值即键）
unordered_set<int> num_set;
// 2. 插入值（去重特性：重复值插入失败）
vector<int> nums = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5};
for (int num : nums) {
auto ret = num_set.insert(num); // 返回 pair<iterator, bool>
if (!ret.second) {
cout << "值 " << num << " 已存在，插入失败" << endl;
}
}
// 3. 查找值（判断是否存在）
if (num_set.count(5)) { // count 返回 0（不存在）或 1（存在）
cout << "值 5 存在于集合中" << endl;
}
// 4. 遍历（无序，去重后结果）
for (int num : num_set) {
cout << num << " "; // 直接访问值（即键）
}
cout << endl;
// 5. 删除值
num_set.erase(9);
return 0;
}1.4 与普通 map/set的区别
在 C++ STL 中，unordered_map/unordered_set（统称「unordered 系列」）与 map/set（统称「普通有序系列」）是两组功能相似但设计原理完全不同的关联式容器，他们的底层差异是他们差异的根源：
| 容器系列 | 底层数据结构 | 核心设计目标 |
|---|---|---|
| unordered 系列 | 链式哈希表（哈希桶） | 追求「快速增删查」，以空间换时间 |
| 普通有序系列 | 红黑树（自平衡二叉搜索树） | 追求「有序存储」，兼顾效率与排序 |
那么我们该如何根据使用场景去选择正确的容器呢？
两组容器没有「绝对优劣」，选择的核心是匹配需求优先级，以下是典型场景的选择逻辑：
| 需求优先级 | 推荐容器 | 原因 |
|---|---|---|
| 追求增删查的效率（O(1)） | unordered_map/unordered_set | 哈希表平均复杂度更低，适合数据量大、对效率敏感的场景 |
| 需要有序存储（如按键排序遍历） | map/set | 红黑树天然有序，支持 lower_bound/upper_bound 等范围查询接口 |
| 存储自定义类型且不愿写哈希函数 | map/set | 仅需重载 < 运算符（红黑树排序用），无需自定义哈希函数 |
| 内存占用敏感 | map/set | 哈希表需预留桶数组空间（通常有负载因子，如 0.7），内存利用率略低 |
2. 模拟实现unordered系列
我们已经对unordered系列有了了解，那么接下来我们就像之前用红黑树模拟实现map/set一样，我们使用哈希表来模拟实现一下unordered系列。
其次跟map和set相⽐⽽⾔unordered系列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参数到底是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。这一点与前面的map和set是类似的。
其实大体的思路与之前的思路相同，只是在封装迭代器以及细节方面与之前有些差异。因此我们重点来看一看迭代器的实现。
2.1 迭代器
unordered系列的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，因此在iterator中除了有结点的指针，还需要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。下面是代码实例：
template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyOfT, class Hash>
struct HTIterator
{
typedef HashNode<T> Node;
typedef HTIterator<K, T, Ref, Ptr, KeyOfT, Hash> Self;
Node* _node;
const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht;
//...
Self& operator++()
{
if (_node->_next)
{
_node = _node->_next;
}
else
{
KeyOfT kot;
Hash hs;
size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_tables.size() + 1;
while (hashi < _pht->_tables.size())
{
if (_pht->_tables[hashi])
{
_node = _pht->_tables[hashi];
break;
}
hashi++;
}
if (hashi == _pht->_tables.size())
{
_node = nullptr;
}
}
return *this;
}
}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。
至于其他的小细节例如通过模板参数Ref和Ptr来实现iterator和const_iterator以及使用模板参数T来代表底层的数据类型，模板参数K来进行find和erase等等细节与我们使用红黑树实现map和set是几乎完全一样的，这里就不再赘述，下面直接给出完整的代码实现：
hash_bucket.h
#pragma once #include<iostream> #include<string> #include<vector> using namespace std; template<class K> struct HashFunc { size_t operator()(const K& key) { return (size_t)key; } }; //特化 template<> struct HashFunc<string> { size_t operator()(const string& s) { size_t ret = 0; //这⾥我们使⽤BKDR哈希的思路，⽤上次的计算结果去乘以⼀个质数，这个质数⼀般取31, 131等效果会⽐较好 for (auto e : s) { ret *= 31; ret += e; } return ret; } }; namespace hash_bucket { template<class T> struct HashNode { HashNode<T>* _next; T _data; HashNode(const T& data) : _data(data) , _next(nullptr) {} }; 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 HTIterator<K, T, Ref, Ptr, KeyOfT, Hash> Self; Node* _node; const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* _pht; HTIterator(Node* node, const HashTable<K, T, KeyOfT, Hash>* pht) : _node(node) , _pht(pht) {} Ref operator*() { return _node->_data; } Ptr operator->() { return &_node->_data; } //单向迭代器 Self& operator++() { if (_node->_next) { _node = _node->_next; } else { KeyOfT kot; Hash hs; size_t hashi = hs(kot(_node->_data)) % _pht->_tables.size() + 1; while (hashi < _pht->_tables.size()) { if (_pht->_tables[hashi]) { _node = _pht->_tables[hashi]; break; } hashi++; } if (hashi == _pht->_tables.size()) { _node = nullptr; } } return *this; } bool operator!=(const Self& self) { return self._node != _node; } bool operator==(const Self& self) { return self._node == _node; } }; template<class K, class T, class KeyOfT, class Hash> 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; inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n) { 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 }; const unsigned long* first = __stl_prime_list; const unsigned long* last = __stl_prime_list +__stl_num_primes; const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n); return pos == last ? *(last - 1) : *pos; } public: typedef HTIterator<K, T, T&, T*, KeyOfT, Hash> Iterator; typedef HTIterator<K, T, const T&, const T*, KeyOfT, Hash> ConstIterator; HashTable() { _tables.resize(__stl_next_prime(0), nullptr); } ~HashTable() { for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++) { Node* cur = _tables[i]; while (cur) { Node* tmp = cur; cur = cur->_next; delete tmp; } _tables[i] = nullptr; } } Iterator End() { return Iterator(nullptr, this); } Iterator Begin() { if (_n == 0) { return End(); } for (int i = 0; i < _tables.size(); i++) { if (_tables[i]) { return Iterator(_tables[i], this); } } return End(); } ConstIterator End() const { return Iterator(nullptr, this); } ConstIterator Begin() const { if (_n == 0) { return End(); } for (int i = 0; i < _tables.size(); i++) { if (_tables[i]) { return Iterator(_tables[i], this); } } return End(); } pair<Iterator, bool> Insert(const T& data) { KeyOfT kot; Hash hs; Iterator it = Find(kot(data)); if (it != End()) { return { it, false }; } //扩容 if ((double)_n / _tables.size() >= 0.75) { vector<Node*> newtables(__stl_next_prime(_tables.size() + 1), nullptr); for (int i = 0; i < _tables.size(); i++) { Node* cur = _tables[i]; while (cur) { Node* next = cur->_next; size_t hashi = hs(kot(cur->_data)) % newtables.size(); cur->_next = newtables[hashi]; newtables[hashi] = cur; cur = next; } } _tables.swap(newtables); } size_t hash_i = hs(kot(data)) % _tables.size(); Node* newnode = new Node(data); newnode->_next = _tables[hash_i]; _tables[hash_i] = newnode; ++_n; return { Iterator(newnode, this), true}; } Iterator Find(const K& key) { Hash hs; KeyOfT kot; size_t hashi = hs(key) % _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi]; while (cur) { if (kot(cur->_data) == key) { return Iterator(cur, this); } cur = cur->_next; } return End(); } bool Erase(const K& key) { Hash hs; KeyOfT kot; size_t hashi = hs(key) % _tables.size(); Node* cur = _tables[hashi]; Node* prev = nullptr; while (cur) { if (kot(cur->_data) == key) { if (prev == nullptr) { _tables[hashi] = cur->_next; } else { prev->_next = cur->_next; } delete cur; --_n; return true; } prev = cur; cur = cur->_next; } return false; } private: //指针数组 vector<Node*> _tables; //表中存储数据个数 size_t _n = 0; }; }unordered_map
#pragma once #include"hash_bucket.h" namespace hcy { template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>> class unordered_map { struct MapKeyOfT { const K& operator()(const pair<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); } iterator find(const K& key) { return _ht.Find(); } bool erase(const K& key) { return _ht.Erase(); } V& operator[](const K& key) { pair<iterator, bool> ret = _ht.Insert({ key, V() }); return ret.first->second; } private: hash_bucket::HashTable<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT, Hash> _ht; }; }unordered_set
#pragma once #include"hash_bucket.h" namespace hcy { template<class K, class Hash = HashFunc<K>> class unordered_set { struct SetKeyOfT { 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(); } bool erase(const K& key) { return _ht.Erase(); } private: hash_bucket::HashTable<K, const K, SetKeyOfT, Hash> _ht; }; }
下面让我们通过一些示例来看一看我们自己模拟实现的unordered系列是否可以正常使用：
#include"unordered_set.h"
#include"unordered_map.h"
void test_map()
{
hcy::unordered_map<string, string> dict;
dict.insert({ "sort", "排序" });
dict.insert({ "left", "左边" });
dict.insert({ "right", "右边" });
dict["left"] = "左边";
dict["insert"] = "插入";
dict["string"];
hcy::unordered_map<string, string>::iterator it = dict.begin();
while (it != dict.end())
{
// 不能修改first，可以修改second
//it->first += 'x';
it->second += 'x';
cout << it->first << ":" << it->second << endl;
++it;
}
cout << endl;
}
void test_set()
{
hcy::unordered_set<int> s;
int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14, 3,3,15 };
for (auto e : a)
{
s.insert(e);
}
for (auto e : s)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
hcy::unordered_set<int>::iterator it = s.begin();
while (it != s.end())
{
// 不⽀持修改
//*it += 1;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_set();
cout << endl;
test_map();
return 0;
}我们来看一下运行的结果：
可以看出结果符合我们的预期。那么这就是unordered系列的模拟实现了，希望大家能有些收获。
尾声
若有纰漏或不足之处欢迎大家在评论区留言或者私信，同时也欢迎各位一起探讨学习。感谢您的观看！
浙公网安备 33010602011771号