詳解STL中的map和hash_map區別

轉自：https://blog.csdn.net/qq51931373/article/details/44196859/

在網上看到有關STL中hash_map的文章，以及一些其他關於STL map和hash_map的資料，總結筆記如下：
1、STL的map底層是用紅黑樹實現的，查找時間複雜度是log(n)；
2、STL的hash_map底層是用hash表存儲的，查詢時間複雜度是O(1)；
3、什麼時候用map，什麼時候用hash_map？
這個藥看具體的應用，不一定常數級別的hash_map一定比log(n)級別的map要好，hash_map的hash函數以及解決地址衝突等都要耗時間，而且衆所周知hash表是以空間換時間的，因而hash_map的內存消耗肯定要大，一般情況下，如果記錄非常大，考慮hash_map，查找效率會高很多，如果要考慮內存消耗，則要謹慎使用hash_map。
以下內容來自：http://blog.163.com/liuruigong_lrg/blog/static/27370306200711334341781/

0. 爲什麼需要hash_map
用過map吧，map提供一個很常用的功能，那就是提供key-value的存儲和查詢功能。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：
嶽不羣-華山派掌門人，人稱君子劍
張三丰-武當掌門人，太極拳創始人
東方不敗-第一高手，葵花寶典
…….
這些信息如果保存下來並不複雜，但是找起來比較麻煩。例如我要找“張三丰”的信息，最笨的方法就是取得所有的記錄，然後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，然後按照二分查找。但是增加記錄的時間同時需要保持記錄有序，因此需要插入排序。考慮到效率，這就需要用二叉樹。如果你使用STL中map容器，你可以非常方便實現這個功能，而不用關心其他細節。看看map的實現。


map<string, string> namemap;
 
2. 
 
3. //增加。。。
 
4. namemap["嶽不羣"]="華山派掌門人，人稱君子劍";
 
5. namemap["張三丰"]="武當掌門人，太極拳創始人";
 
6. namemap["東方不敗"]="第一高手，葵花寶典";
 
7. ...
 
8. 
 
9. //查找。。
 
10. if(namemap.find("嶽不羣") != namemap.end())
 
11. {
 
12.         ...
 
13. }

實現起來比較容易，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。
速度永遠滿足不了現實的需求，如果100萬條記錄，需要頻繁的進行搜索時，20次比較也會成爲瓶頸，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二次比較，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
hash_map基於hash table（哈希表）。哈希表最大的優點是：把數據存儲和查詢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。然後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：使用一個下標範圍比較大的數組來存儲元素。可以設計一個函數（哈希函數，也叫散列函數），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，於是用這個數組單元來存儲這個元素；也可以簡單的理解爲，按照關鍵字爲每一個元素“分類”，然後將這個元素存儲在相應“類”所對應的地方，稱爲桶。
但是，這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不不同的元素，卻計算出相同的函數值，這樣就產生了“衝突”。換句話說，就是把不同的元素分在了相同的“類”中。總的來說，“直接定址”和“解決衝突”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進行保存。其插入過程：
1、得到key；
2、通過hash函數得到hash值；
3、得到桶號（一般都爲hash值對桶數求模）；
4、存放key和value在桶內；
其取值過程是：
1、得到key；
2、通過hash函數得到hash值；
3、得到桶號；
4、比較桶的內部元素是否與key相等，若不相等，則沒有找到；
5、取出相等的記錄的value；
hash_map中直接地址用hash函數生成，解決衝突，用比較函數解決。這裏可以看出，如果每個桶內部只有一個元素，那麼查找的時候只有一次比較。當許多桶沒有值時，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的使用
2.1 一個簡單的例子
不要急着如何把“嶽不羣”用hash_map表示，先看一個簡單的例子：隨你給你一個ID號和ID號相應的信息，ID號的範圍是1~2³¹。如何快速查找保存。


#include <iostream>
 
2. #include <string>
 
3. #include <hash_map>
 
4. 
 
5. using namespace std;
 
6. 
 
7. int main()
 
8. {
 
9.     hash_map<int, string> mp;
 
10.     mp[9527] = "唐伯虎點秋香";
 
11.     mp[10000] = "百萬富翁的生活";
 
12.     mp[88888] = "白領的工資底線";
 
13. 
 
14.     if(mp.find(10000) != mp.end())
 
15.     {
 
16.         //....
 
17.     }
 
18. }

這也是比較簡單的，和map的使用方法一樣。這時你或許會問？hash函數和比較函數呢？不是要指定麼？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>,
 
2. class _EqualKey = equal_to<_Key>,
3. class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
4. class hash_map
5. {
 
6.         ...
 
7. }

也就是說，在上例中，有以下等同關係


...
 
2. hash_map<int, string> mymap;
 
3. //等同於:
 
4. hash_map<int, string, hash<int>, equal_to<int> > mymap;

Alloc這裏不需要關注太多的。
2.2 hash_map的hash函數
hash<int>到底是什麼樣子？看看源代碼：


struct hash<int> {
 
2.         size_t operator()(int __x) const { return __x; }
 
3. };

原來是個函數對象。咋SGI STL中，提供了以下hash函數：


struct hash<char*>
 
2. struct hash<const char*>
3. struct hash<char> 
4. struct hash<unsigned char> 
5. struct hash<signed char>
6. struct hash<short>
7. struct hash<unsigned short> 
8. struct hash<int> 
9. struct hash<unsigned int>
10. struct hash<long> 
11. struct hash<unsigned long>

也就是說，如果你的可以key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。對於自定義變量，例如對於string，就必須自定義hash函數。例如：


struct str_hash{
 
2.         size_t operator()(const string& str) const
 
3.         {
 
4.                 unsigned long __h = 0;
 
5.                 for (size_t i = 0 ; i < str.size() ; i ++)
 
6.                 __h = 5*__h + str[i];
 
7.                 return size_t(__h);
 
8.         }
 
9. };
 
10. //如果你希望利用系統定義的字符串hash函數，你可以這樣寫：
 
11. struct str_hash{
 
12.         size_t operator()(const string& str) const
 
13.         {
 
14.                 return return __stl_hash_string(str.c_str());
 
15.         }
 
16. };

在聲明自己的hash函數時要注意以下幾點：
1、使用struct，然後重載operator();
2、返回size_t；
3、參數是你要hash的key的類型；
4、函數是const類型的；
如這些比較難記，最簡單的方法就是照貓畫虎，找一個函數改改就是了。
現在開始對開頭的“嶽不羣”進行哈希化，直接替換成下面的聲明即可。


map<string, string> namemap; 
 
2. //改爲：
 
3. hash_map<string, string, str_hash> namemap;

其他用法都不用管。當然不要忘記了str_hash的聲明以及頭文件改爲hash_map。
你或許會問：比較函數呢？別急，這裏就開始介紹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於的函數equal_to<key>。先看看equal_to的源碼：


//本代碼可以從SGI STL
 
2. //先看看binary_function 函數聲明，其實只是定義一些類型而已。
 
3. template <class _Arg1, class _Arg2, class _Result>
4. struct binary_function {
 
5.         typedef _Arg1 first_argument_type;
 
6.         typedef _Arg2 second_argument_type;
 
7.         typedef _Result result_type;
 
8. };
 
9. //看看equal_to的定義：
 
10. template <class _Tp>
11. struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>
 
12. {
 
13.         bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }
 
14. };

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{
 
2.         int iID;
 
3.         int len;
 
4.         bool operator==(const mystruct & my) const{
 
5.                 return (iID==my.iID) && (len==my.len) ;
 
6.         }
 
7. };

這樣，就可以使用equal_to<mystruct>作爲比較函數了。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{
 
2.         bool operator()(const char* p1, const char*p2) const{
 
3.                 return strcmp(p1,p2)==0;
 
4.         }
 
5. };

有了compare_str，就可以使用hash_map了。


typedef hash_map<const char*, string, hash<const char*>, compare_str> StrIntMap;
 
2. StrIntMap namemap;
 
3. namemap["嶽不羣"]="華山派掌門人，人稱君子劍";
 
4. namemap["張三丰"]="武當掌門人，太極拳創始人";
 
5. 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。這裏主要介紹幾個常用函數。
1、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函數發生衝突的概率就越小，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。
2、const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找，輸入爲鍵值，返回爲迭代器。
3、data_type& operator[](const key_type& k) . 這是我最常用的一個函數。因爲其特別方便，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，這就相當於自動增加了一個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。
4、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，爲了保證效率， hash_map會自動申請更大的內存，以生成更多的桶。因此在insert以後，以前的iterator有可能是不可用的。
5、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並不自動回收內存。因此你調用erase後，其他元素的iterator還是可用的。

3、相關hash容器
hash容器除了hash_map外，還有hash_set、hash_multimap、hash_multiset，這些容器使用起來和set、multimap、multiset的區別於hash_map和map的區別一樣。

4、其他
這裏列幾個問題，應該對你理解和使用hash_map比較有幫助。
4.1 hash_map和map的區別在哪裏？
（1）構造函數 hash_map需要hash函數，等於函數；map只需要比較函數（小於函數）。
（2）存儲結構 hash_map採用hash表存儲，map一般採用紅黑樹實現。因此內存數據結構是不一樣的。
4.2 什麼時候需要使用hash_map，什麼時候需要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，屬於常數級別;而map的查找速度是log(n)級別。並不一定常數就比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，希望程序儘可能少消耗內存，那麼一定要小心，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。
4.3 如何在hash_map中加入自己定義的類型？
你只需要做兩件事情：定於hash函數、定義等於比較函數。下面的代碼是一個例子：


#include <hash_map>
 
2. #include <string>
 
3. #include <iostream>
 
4. 
 
5. using namespace std;
 
6. //define the class
 
7. class ClassA{
 
8.         public:
 
9.         ClassA(int a):c_a(a){}
 
10.         int getvalue()const { return c_a;}
 
11.         void setvalue(int a){c_a;}
 
12.         private:
 
13.         int c_a;
 
14. };
 
15. 
 
16. //1 define the hash function
 
17. struct hash_A{
 
18.         size_t operator()(const class ClassA & A)const{
 
19.                 // return hash<int>(classA.getvalue());
 
20.                 return A.getvalue();
 
21.         }
 
22. };
 
23. 
 
24. //2 define the equal function
 
25. struct equal_A{
 
26.         bool operator()(const class ClassA & a1, const class ClassA & a2)const{
 
27.                 return a1.getvalue() == a2.getvalue();
 
28.         }
 
29. };
 
30. 
 
31. int main()
 
32. {
 
33.         hash_map<ClassA, string, hash_A, equal_A> hmap;
 
34.         ClassA a1(12);
 
35.         hmap[a1]="I am 12";
 
36.         ClassA a2(198877);
 
37.         hmap[a2]="I am 198877";
 
38.         
 
39.         cout<<hmap[a1]<<endl;
 
40.         cout<<hmap[a2]<<endl;
 
41.         return 0;
 
42. }

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。建議你儘量使用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 爲什麼hash_map不是標準的？
    具體爲什麼不是標準的，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，以後應該會成爲標準。如果誰知道更合理的解釋，也希望告訴我。但我想表達的是，正是因爲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，還是少用爲佳。

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