在std::unordered_map和std::unordered_set中,数据的存储与管理主要依靠于哈希表这种数据结构。
哈希表的工作流程
- 初始化桶数组:当创建一个std::unordered_map或std::unordered_set时,会初始化一定数目的桶(buckets)。这些桶实际上是用于存放键值对或者仅键(对于unordered_set)的数据结构。
- 计算哈希值:每当插入一个新的元素(键值对或键),起首通过该元素的键运行哈希函数来计算出一个哈希值。这个哈希值决定了该元素应该被放置在哪个桶中。
- 定位桶并处理冲突:
- 根据哈希值确定对应的桶。
- 假如目的桶当前为空,则直接将新元素插入到该桶中。
- 假如目的桶中已经存在其他元素,则说明发生了哈希冲突。此时,C++标准库通常使用**链地点法(Separate Chaining)**来解决冲突。这意味着每个桶实际上是一个链表,所有哈希到同一个桶的元素都会被添加到这个链表中。
- 负载因子监控与主动扩容:随着越来越多的元素被插入,哈希表的负载因子(即元素数目除以桶的数目)会逐渐增长。一旦负载因子凌驾某个阈值,哈希表会主动进行rehash操作,也就是增长桶的数目,并重新分配所有元素以保持较低的负载因子,从而确保查找、插入和删除操作的匀称时间复杂度靠近O(1)。
示例
假设我们有一个std::unordered_map<int, std::string>,并且插入了以下键值对:
- 插入 (1, "Apple")
- 假设哈希函数为 h(k) = k % 8(这里只是举例),则键 1 的哈希值为 1 % 8 = 1。所以它会被放入第1号桶中。
- 接着插入 (9, "Banana")
- 键 9 的哈希值同样为 9 % 8 = 1。这导致了一个冲突,因为第1号桶已经有了一个元素。
- 在这种情况下,"Banana" 会被添加到第1号桶的链表中。
如许,当需要查找键 9 对应的值 "Banana" 时,系统会先通过哈希函数找到第1号桶,然后遍历该桶中的链表找到对应的键值对。
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