【C++：封装红黑树】C++红黑树封装实战：从零实现MyMap与MySet
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老朋友（非官方文档）：cplusplus
官方文档（同步更新）： cppreference
set和multiset的参考文档：set、multiset
map和multimap的参考文档：map、multimap
1 ~> 分析：源码及框架
大伙都知道封装红黑树这一块难度那是嘎嘎高的，这个难度其实不在于逻辑，而在于结构。
1.1 见一见源码
还是那句话，虽然没吃过猪肉但我们可以见见过猪跑呀。艾莉丝又来带大家看源码啦——
SGI—STL30版本源代码，map和set的源代码在map / set / stl_map.h / stl_set.h / stl_tree.h等几个头文件中。
源码大家不要去看最新的，最新的源码有的经过十几年的优化，看起来很费劲，我们挑中间的看。
stl_tree.h：
stl_set.h：
stl_map.h：
1.2 对比set和map的源码：泛型编程的应用
虽然底层都是用红黑树实现的，这里我们看源码，第一个模板参数都是Key，区别就在于第二个模板参数，value对于set是key，对map不是——
map和set不是同一棵红黑树实现的，这里其实是用红黑树类模板实现的。
我们通过上面的框架可以看到源码中的rb_tree实现了一个非常巧妙的泛型思想，rb_tree不管是实现Key的搜索场景还是Key / value的搜索场景不是直接写死的，而是由第二个模板参数value来决定_rb_tree_node中存储的数据类型。
set实例化rb_tree的时候第二个模板参数给的是Key，map实例化rb_tree时第二个模板参数给的是pair<const key , T>，这样一个红黑树既可以实现Key搜索场景的set，也可以实现Key / value搜索场景的map。
大家注意，源码里面模板参数是用了T来代表value，而内部写的value_type不是我们日常Key / value场景中说的value，源码中的value_type反而是红黑树节点中，存储的是真实的数据类型。
rb_tree第二个模板参数value已经控制了红黑树节点存储的数据类型，为什么还要穿第一个模板参数Key呢？尤其是set，两个模板参数是一样的，这是很多uu会有的有个疑问。要注意的是对于map和set，find / erase时候的模板参数都是Key，所以第一个模板参数是传给find / erase等函数来做形参的类型的。对于set而言，两个参数是一样的；但是对于map而言就不一样了，map容器Insert的是pair对象，但是find / erase的是Key对象。
2 ~> map和set的模拟实现
2.1 实现出复用红黑树的框架（支持insert）
参考前面的源码框架，map和set确实是复用之前我们实现的红黑树。
这里相比源码调整一下，key参数就用K，value参数就用V，红黑树中的数据类型，我们使用T。
其次因为RBTree实现了泛型不知道T参数导致是K，还是pair<K，V>，那么insert内部进行插入逻辑比较时，就没办法进行比较，因为pair的默认支持的是key和value一起参与比较，我们需要时的任何时候只比较key，所以我们在map和set层分别实现一个MapKeyOfT和SetKeyOfT的仿函数传给
RBTree的KeyOfT，然后RBTree中通过KeyOfT仿函数取出T类型对象中的key，再进行比较，具体
细节参考如下代码实现。
2.2 迭代器iterator的实现
iterator核心代码——
2.3 迭代器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，迭代器有像指针一样访问的行为。
这里的难点是operator++和operator--的实现。之前在使用部分，我们分析map和set的迭代器走的是中序遍历，左子树~>根结点~>右子树，那么begin()会返回中序第一个结点的iterator也就是10所在结点的迭代器。
迭代器++的核心逻辑就是不看全局，只看局部，只考虑当前中序局部要访问的下一个结点。
迭代器++时，如果it指向的结点的右子树不为空，代表当前结点已经访问完了，要访问下一个结点是右子树的中序第一个，一棵树中序第一个是最左结点，所以直接找右子树的最左结点即可。
迭代器++时，如果it指向的结点的右子树空，代表当前结点已经访问完了且当前结点所在的子树也
访问完了，要访问的下一个结点在当前结点的祖先里面，所以要沿着当前结点到根的祖先路径向上
找。
如果当前结点是父亲的左，根据中序左子树~>根结点~>右子树，那么下一个访问的结点就是当前结点的父亲；如下图——
it指向25，25右为空，25是30的左，所以下一个访问的结点就是30。
如果当前结点是父亲的右，根据中序左子树~>根结点~>右子树，当前当前结点所在的子树访问完了，当前结点所在父亲的子树也访问完了，那么下一个访问的需要继续往根的祖先中去找，直到找
到孩子是父亲左的那个祖先就是中序要问题的下一个结点。如下图——
it指向15，15右为空，15是10的右，15所在子树话访问完了，10所在子树也访问完了，继续往上找，10是18的左，那么下一个访问的结点就是18。
end()如何表示呢？如下图——
当it指向50时，++it时，50是40的右，40是30的右，30是18的右，18到根没有父亲，没有找到孩子是父亲左的那个祖先，这是父亲为空了，那我们就把it中的结点指针置为nullptr，我们用nullptr去充当end。需要注意的是stl源码空，红黑树增加了一个哨兵位头结点作为end()，这哨兵位头结点和根互为父亲，左指向最左结点，右指向最右结点。相比我们用nullptr作为end()，差别不大，他能实现的，我们也能实现。只是--end()判断到结点时空，特殊处理一下，让迭代器结点指向最右结点。具体大家可以参考迭代器--的实现。
迭代器-的实现跟++的思路完全类似，逻辑正好反过来即可，因为他访问顺序是右子树~>根结点~>
左子树，具体参考可以看艾莉丝放在文章最后的代码实现。
set的iterator也不支持修改，我们把set的第二个模板参数改成const K即可——
RBTree<K，const K，SetKeyOfT> _t;map的iterator不支持修改key但是可以修改value，我们把map的第二个模板参数pair的第一个参
数改成const K即可——
RBTree<K，pair<constK，V>，MapKeyOfT>_t;
如下图所示，header是“哨兵位”，在学习数据结构中的二叉树时，我们就已经了解过哨兵位了——
2.4 map支持[]
1、map要支持[ ]主要需要修改insert返回值支持，修改RBtree中的insert返回值为：
pair<Iterator,bool> Insert(const T& data)2、map支持[ ]，insert支持[ ]实现就很简单了。
bit::map和bit::set完整代码示例与实践演示
RBTree.h：
template<class T, class Ref, class Ptr> struct RBTreeIterator { typedef RBTreeNode<T> Node; typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self; Node* _node; RBTreeIterator(Node* node) :_node(node) { } Ref operator*() { return _node->_data; } Ptr operator->() { return &_node->_data; } Self& operator++() { if (_node->_right) { Node* minRight = _node->_right; while (minRight->_left) { minRight = minRight->_left; } _node = minRight; } else { Node* cur = _node; Node* parent = cur->_parent; while (parent && cur == parent->_right) { cur = parent; parent = parent->_parent; } _node = parent; } return *this; } bool operator!=(const Self& s) { return _node != s._node; } bool operator==(const Self& s) { return _node == s._node; } }; template<class K, class T, class KeyOfT> struct RBTree { typedef RBTreeNode<T> Node; public: typedef RBTreeIterator<T, T&, T*> Iterator; typedef RBTreeIterator<T, const T&, const T*> ConstIterator; ~RBTree() { Destroy(_root); _root = nullptr; } Iterator Begin() { Node* minLeft = _root; while (minLeft && minLeft->_left) { minLeft = minLeft->_left; } return Iterator(minLeft); } Iterator End() { return Iterator(nullptr); } ConstIterator Begin() const { Node* minLeft = _root; while (minLeft && minLeft->_left) { minLeft = minLeft->_left; } return ConstIterator(minLeft); } ConstIterator End() const { return ConstIterator(nullptr); } pair<Iterator, bool> Insert(const T& data) { if (_root == nullptr) { _root = new Node(data); _root->_col = BLACK; return { Iterator(_root), true }; } KeyOfT kot; Node* parent = nullptr; Node* cur = _root; while (cur) { if (kot(cur->_data) < kot(data)) { parent = cur; cur = cur->_right; } //else if (kot(cur->_data) > kot(data)) else if (kot(data) < kot(cur->_data)) { parent = cur; cur = cur->_left; } else { return { Iterator(cur), false }; } } // 新增红色 cur = new Node(data); Node* newnode = cur; cur->_col = RED; if (kot(parent->_data) < kot(data)) { parent->_right = cur; } else { parent->_left = cur; } cur->_parent = parent; while (parent && parent->_col == RED) { Node* grandfather = parent->_parent; if (grandfather->_left == parent) { // g // p u Node* uncle = grandfather->_right; // 叔叔存在且为空 if (uncle && uncle->_col == RED) { // 变色+继续往上处理 parent->_col = uncle->_col = BLACK; grandfather->_col = RED; cur = grandfather; parent = cur->_parent; } else // 叔叔不存在或者叔叔存在且为黑 { // g // p u //c // 单旋+变色 if (cur == parent->_left) { RotateR(grandfather); parent->_col = BLACK; grandfather->_col = RED; } else { // g // p u // c // 双旋+变色 RotateL(parent); RotateR(grandfather); cur->_col = BLACK; grandfather->_col = RED; } break; } } else { // g // u p Node* uncle = grandfather->_left; // 叔叔存在且为红，-》变色即可 if (uncle && uncle->_col == RED) { parent->_col = uncle->_col = BLACK; grandfather->_col = RED; // 继续往上处理 cur = grandfather; parent = cur->_parent; } else { // 情况二：叔叔不存在或者存在且为黑 // 旋转+变色 // g // u p // c if (cur == parent->_right) { RotateL(grandfather); parent->_col = BLACK; grandfather->_col = RED; } else { // g // u p // c RotateR(parent); RotateL(grandfather); cur->_col = BLACK; grandfather->_col = RED; } break; } } } _root->_col = BLACK; return { Iterator(newnode), true }; } void RotateR(Node* parent) { Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; parent->_left = subLR; if (subLR) subLR->_parent = parent; Node* parentParent = parent->_parent; subL->_right = parent; parent->_parent = subL; if (parent == _root) { _root = subL; subL->_parent = nullptr; } else { if (parentParent->_left == parent) { parentParent->_left = subL; } else { parentParent->_right = subL; } subL->_parent = parentParent; } } void RotateL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; parent->_right = subRL; if (subRL) subRL->_parent = parent; Node* parentParent = parent->_parent; subR->_left = parent; parent->_parent = subR; if (parentParent == nullptr) { _root = subR; subR->_parent = nullptr; } else { if (parent == parentParent->_left) { parentParent->_left = subR; } else { parentParent->_right = subR; } subR->_parent = parentParent; } } Iterator Find(const K& key) { KeyOfT kot; Node* cur = _root; while (cur) { if (kot(cur->_data) < key) { cur = cur->_right; } else if (kot(cur->_data) > key) { cur = cur->_left; } else { return Iterator(cur); } } return End(); } int Height() { return _Height(_root); } int Size() { return _Size(_root); } private: int _Size(Node* root) { if (root == nullptr) return 0; return _Size(root->_left) + _Size(root->_right) + 1; } int _Height(Node* root) { if (root == nullptr) return 0; int leftHeight = _Height(root->_left); int rightHeight = _Height(root->_right); return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1; } void Destroy(Node* root) { if (root == nullptr) return; Destroy(root->_left); Destroy(root->_right); delete root; } private: Node* _root = nullptr; };Map.h：
#pragma once #include"RBTree.h" namespace jqj { template<class K, class V> class map { struct MapKeyOfT { const K& operator()(const pair<K, V>& kv) { return kv.first; } }; public: typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::Iterator iterator; typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::ConstIterator const_iterator; iterator begin() { return _t.Begin(); } iterator end() { return _t.End(); } const_iterator begin() const { return _t.Begin(); } const_iterator end() const { return _t.End(); } pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv) { return _t.Insert(kv); } iterator find(const K& key) { return _t.Find(key); } V& operator[](const K& key) { //pair<iterator, bool> ret = _t.Insert({ key, V() }); auto [it, flag] = _t.Insert({ key, V() }); return it->second; } private: RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t; }; }Set.h：
#pragma once #include"RBTree.h" namespace jqj { template<class K> class set { struct SetKeyOfT { const K& operator()(const K& key) { return key; } }; public: typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::Iterator iterator; typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::ConstIterator const_iterator; iterator begin() { return _t.Begin(); } iterator end() { return _t.End(); } const_iterator begin() const { return _t.Begin(); } const_iterator end() const { return _t.End(); } pair<iterator, bool> insert(const K& key) { return _t.Insert(key); } iterator find(const K& key) { return _t.Find(key); } private: RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t; }; }Test.cpp：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include<iostream> #include<vector> using namespace std; #include"RBTree.h" #include"Map.h" #include"Set.h" template<class T> void func(const jqj::set<T>& s) { typename jqj::set<T>::const_iterator it = s.begin(); while (it != s.end()) { //*it = 1; cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; } void Test_set() { jqj::set<int> s; s.insert(1); s.insert(2); s.insert(1); s.insert(5); s.insert(0); s.insert(10); s.insert(8); jqj::set<int>::iterator it = s.begin(); // *it += 10; while (it != s.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; func(s); } void Test_map() { jqj::map<string, string> dict; dict.insert({ "sort", "排序" }); dict.insert({ "left", "左边" }); dict.insert({ "right", "右边" }); dict["string"] = "字符串"; // 插入+修改 dict["left"] = "左边xxx"; // 修改 auto it = dict.begin(); while (it != dict.end()) { // it->first += 'x'; // 不能修改 it->second += 'x'; cout << it->first << ":" << it->second << endl; ++it; } cout << endl; for (auto& [k, v] : dict) { cout << k << ":" << v << endl; } cout << endl; string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" }; jqj::map<string, int> countMap; for (auto& e : arr) { /*auto it = countMap.find(e); if (it != countMap.end()) { it->second++; } else { countMap.insert({ e, 1 }); }*/ countMap[e]++; } for (auto& [k, v] : countMap) { cout << k << ":" << v << endl; } cout << endl; } int main() { Test_set(); Test_map(); return 0; }运行结果
结尾
uu们，本文的内容到这里就全部结束了，艾莉丝再次感谢您的阅读！
往期回顾：
【C++：红黑树】深入理解红黑树的平衡之道：从原理、变色、旋转到完整实现代码
结语：都看到这里啦！那请大佬不要忘记给博主来个“一键四连”哦！
🗡博主在这里放了一只小狗，大家看完了摸摸小狗放松一下吧！🗡
૮₍ ˶ ˊ ᴥ ˋ˶₎ა
