c++ map，set封装

map 是一个 kv 结构， set 是 k结构。
我们前面模拟实现了 红黑树，但是我们实现的红黑树把 kv 结构写死了，怎么样才能用泛型编程的思想来实现map和set呢
我们先简单看一下原码中是怎么实现的

1.原码实现逻辑

我们打开这里的 stl_set.h
在这里插入图片描述
通过我们前面学习红黑树，我们看到这里的 rb_tree 的名字 就是一棵纯正的红黑树
我们打开 tree.h 的头文件去找这个 rb_tree
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

这里用 true 和 false 来表示 red 和 black，和我们的枚举有区别，但是没影响，只要能判断红黑即可。
这里map 和 set 都使用了红黑树的代码
接下来开始我们的重头戏
在这里插入图片描述
我们实现节点是一个 struct 就实现了，但是这里还用到了继承，并且我们的红黑树传入了两个模版参数 K, V ,但是这里的节点却只有一个 Value 的模版参数，我们接着往下看
在这里插入图片描述
我们看到，源代码实现的红黑树传入参数有点多，而且下这个整体的封装过程挺麻烦的。
在这里插入图片描述

首先，他的 __rb_tree_node 只传入了一个 Value 的模版参数。但是 map 是 kv 模型，只传入了一个 Value ，怎么能让 map 满足两个类型呢？
我们打开 stl_set.h ,虽然这里重命名了，但是 key_type 和 value_type 的原本类型都是 Key 类型
在这里插入图片描述
我们把这里联系起来
在这里插入图片描述
那这样我们猜测，map 中应该也有一个 key_type 和 value_type ，且这两个类型不同
在这里插入图片描述
这里我们能看到，key_type 和 value_type 的原本类型不同，且 value_type 还是用 pair<const Key, T> 来实现的
在这里插入图片描述
我们先简单理解一下，这里通过一个模版参数 value_type 来确定是哪种类型，如果传入的只是一个 value_type，就是 k 模型，如果传入的参数是键值对 pair<const Key, T>，那这里就是 kv 模型
这里就通过传入参数，使 map 和 set 可以使用同一段代码，实现了泛型编程的思想

2. 模拟实现

set

namespace xsz1
{template<class K>class set{private:RBTree<K, K> _t;}
}

map

namespace xsz2
{template<class K, class T>class map{private:RBTree<K, pair<K, T>> _t;}
}

这里我们先把 K 设置为可修改的。
在这里插入图片描述
我们这里的写法比源代码简化了很多，因为只是模拟实现，不是完全实现，所以只是实现基本功能。
上面的 map 和 set 写完后，我们还需要修改 红黑树的基本代码

template<class T>
struct RBTreeNode
{RBTreeNode<T>* _left;RBTreeNode<T>* _right;RBTreeNode<T>* _parent;//pair<K, V> _kv;Colour _col;T _data;RBTreeNode(const T& data):_left(nullptr),_right(nullptr),_parent(nullptr),_data(data),_col(RED){}
};
template<class K, class T>
class RBTree
{
public:typedef RBTreeNode<T> Node;//...
};

2.1. insert

但是还有一个问题需要处理，第二参数怎么比较大小？
如果是 set 比较大小很简单，都是 key，直接比较，那么 map 的键值对呢
在这里插入图片描述
我们看到，键值对是可以比较的，但是这个比较大小和我们想要的不一样，这里的比较大小，会先去比较 first，在 first 相同的情况下，会去比较 second，但是我们只需要比较 first，所以这里我们还需要单独处理一下
但是要怎么处理才能让 set 和 map 都适合这种用法呢

while(cur)
{if(cur->_data <data){parent = cur;cur = cur->-right;}else if(cur->_data >data){parent = cur;cur = cur->_left;}else{return false}
}

我们能不能用类型对比的方式？

if(cur->_data.type == K)
{//...
}

如果 data 的类型和传入的第一模版参数类型相同，我们就直接比，如果传入的类型是 pair 类型，我们再对比 data.first
但是这样写肯定不行，其实 c 语言中有一种写法能支持这种思路
typeid.name()

if(typeif(cur->_data).name == K)
{//...
}

typeif.name 可以把传入的内容转化成字符串，可以按照这个思路写下去，但是这样写不太符合我们的泛型编程的思想。
还有一个方法

template<class K, class T>
class map
{
public:struct MapKeyofT{const K& operator()(const K& key){return key.first;}};
private:RBTree<K, pair<K, T>, MapKeyofT> _t;
};

template<class K>
class set
{
public:struct SetKeyofT{const K& operator()(const K& key){return key;}};
private:RBTree<K, K, SetKeyofT> _t;

template<class K, class T, class KeyofT>
class RBTree
{//....KeyofT kot;kot(cur->_data <kot < kot(data));
}

我们在 set 和 map 中实现两个仿函数，这两个仿函数在调用时会返回该对象的 value 。
如果是 set 调用，会返回 key，如果是 map 调用，会返回 键值对中的 first。
我们把这两个类作为模版参数传入 RBTree 中，在 RBTree 中，我们只需要去调用这个 kot 即可，kot 会把set ， map 中需要比较的部分返回供我们比较，也就不需要我们自己去考虑怎么处理了。

2.2. 迭代器

2.2.1. 红黑树迭代器

红黑树，树形结构，和之前学的链表的迭代器很像。

template<class T, class KeyofT>
struct __TreeIterator
{typedef RBTreeNode<T> Node;typedef __TreeIterator<T, KeyofT> Self;Node* _node;__TreeIterator(Node* node):_node(node){}T& operator*(){return _node->_data;}T* operator->(){return &_node->_data;}
}

我们先把最基础的部分写出来。
上面这些都没什么问题，迭代器支持 ++，那么我们的迭代器怎么写才能支持++呢？
拿这棵树研究研究
在这里插入图片描述

一般情况下，会从 begin() 到 end()
begin() 的位置很好确认，就是 _root 的最左节点
在这里插入图片描述
观察后，我们发现，如果当前节点不存在孩子节点时，会去找节点是父亲左节点的父亲节点节点。
在这里插入图片描述
比如当 it== 5 或者 it == 10 时，应该会去找 节点是父亲节点左孩子节点的那个父亲节点
在这里插入图片描述

比如这里如果 it 是 9 ，先去找 10 ，然后走到10 的右孩子节点，此时要向上走，10这棵树已经走完了，那么就去找 10 的父节点。it 在 10 的右孩子节点时，不满足 节点是父亲左节点的条件，接着往上找，10 是 11 的父亲节点的左节点，所以 _node = 11，开始下一步。
如果节点的右子树不为空，那就去右子树中找最左节点。
这句比较好理解，和 begin() 位置一样，直接找最左节点。
我们在实现 ++ 前，先把 begin() 和 end() 实现了

iterator begin()
{Node* cur = _root;while(cur && cur->_left){cur = cur->_left;}return iterator(cur);
}
iterator end()
{return iterator(nullptr);
}

这里的 begin 和 end 函数都比较好理解
begin 最开始要指向最小的节点，所以最开始就是 cur 找最左节点即可
但是 end 要注意，并不是指向最右的节点，按照我们之前对vector 那些迭代器的理解，end 返回的是最后一个节点后面位置的位置，但是当遍历到最大节点时，树中是没有下一个节点的，所以我们默认直接返回 nullptr（按照上面++ 的逻辑，最后会指向 _root 的父节点，但是 _root 本身就是空节点，所以直接用 nullptr 返回即可）。
下面开始实现 ++ 的操作

Self& operator++()
{if(_node->_right){Node* cur = _node->_right;while(cur && cur->_left){cur = cur->_left;}_node = cur;}else{}return *this;
}

右不为空的情况下，去找右子树的最左节点
右为空的情况下，去找节点是父节左的那个父亲节点

Self& operator++()
{if(_node->_right){Node* cur = _node->_right;while(cur && cur->_left){cur = cur->_left;}_node = cur;}else{Node* cur = _node;Node* parent = cur->_parent;while(parent && cur == parent->_right){cur = parent;parent = cur->_parent;}_node = parent;}return *this;
}

这样，我们的 ++ 逻辑就写完了
接下来是 != 操作

bool operator!=(const Self& s)
{return _node != s._node;
}

这里注意是节点指针进行比较，不是对比节点的值，或者是传入的 s 对象。
减减操作和加加操作相反。
++：
右树存在找右树最左节点
右树不存在，找节点是父亲左的那个父亲节点
–：
可以把情况想的极端一点，++是从最左节点遍历到最右节点，–是从最右节点遍历到最左节点，也就是说这俩操作是个完全对称的。
左树存在找最右节点
左树不存在，找节点是父亲右的那个父亲节点

        Self& operator--(){if (_node->_left){Node* cur = _node->_left;while (cur->_right){cur = cur->_right;}_node = cur;}else{Node* cur = _node;Node* parent = cur->_parent;while (parent && cur == parent->_left){cur = parent;parent = cur->_parent;}_node = parent;}return *this;}

在这里插入图片描述

2.2.2. set,map封装迭代器

红黑树的迭代器写完了，接下来要在 set 中也实现迭代器，因为我们要通过 set 的接口去使用红黑树。

template<class K>
class set
{
public://..typedef RBTree<K, K, SetKeyofT>::iterataor iterator;iterator begin(){return _t.begin();}iterator end(){return _t.end()}
private:RBTree<K, K, SetKeyofT> _t;
}

既然迭代器写好了，那么我们来试试吧

void test_set()
{xsz1::set<int> s;s.insert(4);s.insert(1);s.insert(2);s.insert(3);s.insert(2);xsz1::set<int>::iterator it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << "  ";++it;}cout << endl;
}

当我们运行这段代码后，我们会惊奇的发现
在这里插入图片描述
他崩了
注意这里显示出来的问题，iterator 不是类型，我们明明 typedef 了 红黑树的iterator， 为什么这里说 iterator 不是类型呢？
这里要注意，域作用访问限定符。

typedef RBTree<K, K, SetKeyofT>::iterataor iterator;

一般除了这里会用到 这个操作符，我们在声明 其类中的静态成员变量也会用到这个操作符，因为我们的红黑树代码是用模版来实现的 ，所以这段代码在预编译的时候并不存在红黑树的代码（实例化后才会出现，想要实例化也是在运行期间），而预编译时访问到了这段代码，编译器就不知道你是想给 iterator 这个静态成员变量重命名，还是给这个类型命重命名，所以会报错。
因此如果想通过这里，我们必须强制说明一下

typedef typename  RBTree<K, K, SetKeyofT>::iterataor iterator;

现在可以开测我们的代码了
在这里插入图片描述
我们看到，通过迭代器，随机插入的数据正向输出了。
迭代器实现了，范围 for 也就随便用。
然后是 map 的迭代器，与 set 同理

template<class K>
class set
{
public://..typedef RBTree<K, pair<K, T>, MapKeyofT>::iterataor iterator;iterator begin(){return _t.begin();}iterator end(){return _t.end()}
private:RBTree<K, pair<K, T>, MapKeyofT> _t;
}

我们运行之后
在这里插入图片描述
完全没什么问题。
虽然 set，map 大题功能已经实现，但不是还存在一个很严重的问题。
如果我们去修改 迭代器位置的值

(*it) = 100;

在这里插入图片描述
我们看到，修改后的数据并不会自动去调整，而且最小的值被修改成了 100，我们的红黑树结构也遭到了破坏。
所以接下来我们要想办法，如何修改才能使key 值不可修改。

2.2.3. key 值不可修改

想要解决这个问题，我们先去库里看看大佬的思路。
set.h
在这里插入图片描述
set 只含有一个 key，在这里 iterator 被处理为 const_iterator，我们去看看 map 是怎么处理的
在这里插入图片描述
map并的处理方式和 set 完全不一样。
set 只含有一个值，这个key值本身就不能被修改，所以这里的 const_iterator 就能保证其中的 key 值不会被修改。
但是 map 中含有 key 和 value，map 中的 key 值不能被修改，但是 value 值是可以被修改的，所以 map 就不能那么暴力的直接全部修改为 const_iterator。
这里 set 和 map 的实现逻辑就不太一样了。
首先，我们先把insert 的返回值修改一下，库里面的返回值是键值对，这里我们也返回键值对

pair<iterator, bool> insert(const T& data)
{//...
}

红黑树的 insert 修改后，要注意 map.h 和 set.h 中的 insert 的返回值也要修改。

pair<iterator, bool> insert(const T& data)
{return _t.insert(data);
}

因为 set 需要用到const_iterator 所以我们先在红黑树中把 const_iterator 实现了
这里和我们前面实现 list 的const_iterator 的做法一样，我们在迭代器的模版参数中传入 Ref(reference参考值) 和 Ptr(指针)， 当我们调用 const_iterator 时，就给 迭代器传入 const T& 和 const T*，如果我们要用 iterator， 我们就传入 T& 和 T*

template<class T, class Ref, class Ptr, class KeyofT>
struct __TreeIterator
{//...
}
template<class K, class T, class KeyofT>
class RBTree
{
public:typedef __TreeIterator<T, T&, T*, KeyofT>  iterator;typedef __TreeIterator<T, const T&, const T*, KeyofT> const_iterator;//...
}

const_iteraor 写好后，我们就开始操作 set

typedef typename RBTree<K, K, SetKeyofT>::const_iterator iterator ;
typedef typename RBTree<K, K, SetKeyofT>::const_iterator iterator;
pair<iterator, bool> insert(const K& key)
{return _t.insert(key);
}
iterator begin()const
{return _t.begin();
}
iterator end()const
{return _t.end()
}

把这里写好之后，我们尝试修改 set 中的值
在这里插入图片描述
这个时候，这里就会报错，我们不拿这里处理之后，运行代码，我们发现
在这里插入图片描述
还是报错了。
这里的问题就比较复杂了，
先看我们 红黑树 和 set 中 insert 中的返回值

pair<iterator, bool> insert(const T& data)
{return make_pair(iterator(cur), true);
}
//set.h
pair<iterator , bool> insert(const K& key)
{return _t.insert(key);
}

这里和 pair 的特性相关
在这里插入图片描述
我们知道，pair 的牛逼之处在于它的拷贝，他不需要我们一定要传入相同类型的值才能拷贝构造，而是只要 传入参数 pair 中的 第一第二参数能构造 被传入 的 pair 中的第一第二参数，就能完成 pair 的拷贝构造

 void func(pair<string, const int> p1){//..}int main(){pair<const char*, int> p;func(p);return 0;}

在这里插入图片描述这里是没有问题的，因为 const char* 能构造 string， int 能构造 const int，所以 p 就能去构造 p1。
现在回到上面的问题，为什么这里会报错。
我们先清楚一件事，set 的 insert 返回值pair 中的类型iterator，对红黑树来说是 const_iterator 类型。
红黑树返回的类型是 pair<iterator, bool> 类型，
这里的 iterator 构造出来的类型 是 __TreeIterator<T, Ref, Ptr, KeyofT> 的类型
但是我们set 接收到这个类型后·，再返回 pair<const_iterator, bool> 类，型这里的 返回类型 是
RBTree<K, K, SetKeyofT>::const_iterator 类型，也就是
__TreeIterator<K, T, const T&, const T*, KeyofT>。
红黑树的 insert 返回的 pair 中 的迭代器没有 const T 的类型，但是 从 set 的 insert 返回的 pair 的迭代器中含有 const T 类型，pair 能做到 模版参数只要参数类型能构造就行，但是 我们模拟实现的迭代器是不支持自我完善的，也就是说 __TreeIterator<T, Ref, Ptr, KeyofT> 不能去构造 __TreeIterator<K, T, const T&, const T*, KeyofT> 类型 。
解决方法
所以我们可以考虑，不要使用它的默认拷贝构造，我们自己去写一个拷贝构造函数
除了这个方法，还有个更简单的方法
既然 pair 不需要传入和目标相同的模版参数，只要类型能构造就行，那么我们管目标是什么迭代器，我们直接把节点给set，set拿到节点爱怎么构造不关我红黑树的事

pair<Node*, bool> insert(const T& datd)
{//...return make_pair(cur, true);//...
}

在这里插入图片描述
此时我们的代码就能正常运行了，set 拿到节点，就要去自己用节点去构造 const_iterator。
这里要注意 const_iterator 和 const iterator 不是一个东西，const iterator只能保证这个迭代器不能修改，也就不能进行++，–等操作， 但是是可以修改 iterator 内的值。而 const_iterator 是我们自己实现的可以进行 ++，–等操作的类，只是这个类中的成员都用 const 进行修饰，成员不能修改。

然后就是 map 了，map 因为迭代器不那样暴力处理，我们想既然 key 不能修改，但是 value 可以修改，那么把 所有返回和 K 相关的地方，都返回 const K 应该就行了吧。

        template<class K, class T>class map{public:struct MapKeyofT{const K& operator()(const pair<K, T>& key){return key.first;}};typedef        typename RBTree<K, pair<const K, T>, MapKeyofT>::iterator iterator;typedef        typename RBTree<const K, const pair<const K, T>, MapKeyofT>::iterator const_iterator;pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, T>& key){return _t.insert(key);}iterator begin(){return _t.begin();}iterator end(){return _t.end();}T& operator[](const K& key){pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, T()));return (ret.first)->second;}private:RBTree<K, pair<const K, T>, MapKeyofT> _t;};

在这里插入图片描述
大概逻辑写完后，我们看到 map 中的 第一参数不能修改，第二参数可以修改。
在这里插入图片描述

2.2.4. operator[]

既然我们上面把迭代器整体都玩完了，那么再写一个 [] 操作助助兴。
在这里插入图片描述
这里的解析在 map_set 学习的那节，想要了解这个怎么操作的可以去那里了解，这里主要进行实现

T& operator[](const K& key)
{pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, T());return (ret.first)->second;
}

注意这个操作要完成的事，如果 [] 位置不存在值则是插入，如果存在值则返回其中的 value

void test_map2()
{string arr[] = { "香蕉", "甜瓜", "苹果", "西瓜","香蕉", "甜瓜", "苹果", "西瓜", "香蕉", "甜瓜", "苹果", "西瓜", "香蕉", "甜瓜", "苹果", "西瓜", "香蕉", "甜瓜", "苹果", "西瓜" };xsz2::map<string, int> m;for (auto& e : arr){m[e]++;;}for (auto& e : m){cout << e.first << "  " << e.second << "    ";}cout << endl;
}

在这里插入图片描述
这样我们的 [] 操作节完成了。
最后一个问题，我们在 RBTree 中传入了 模版参数 K，但是我们这里全程没用到过这个类型，我们需要 key 时直接使用了 KeyofT，这个 K 模版参数真的有必要吗？
有，因为我们这里主要实现的是 insert 操作，set，map中含有其他操作，比如 find，如果要实现find 操作

iterator find(const k& key)
{//...
}

可以说我们在简单的模拟实现这里没用上，但是绝对不能说他没有用。

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