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C++ Map底层实现原理解析
2023-06-30 00:45:25 深夜i     12     0
- C++ - Map - 底层实现 - 原理解析

C++ Map 是一个常用的关联容器，用于存储具有键值对形式的元素。它支持快速的寻找和插入操作，并且按照键值进行自动排序。本文将为读者解析 C++ Map 底层的实现原理。

1. Map 的定义

Map 是由红黑树实现的一种关联容器，它按照键值进行排序，并且保证插入和查找操作的时间复杂度都为 O(logN)。Map 中每个元素都是一个键值对，键值对中的键和值都是可以自定义的数据类型。

2. 红黑树的概念

红黑树是一种自平衡二叉查找树，它的每个节点都被标上红色或者黑色。红黑树的性质如下：

(1) 每个节点都是红色或者黑色的。

(2) 根节点是黑色的。

(3) 每个叶子节点都是黑色的，并且包含了空指针。

(4) 如果一个节点是红色的，那么它的子节点必须是黑色的。

(5) 对于每个节点，从该节点到该节点的所有后代叶子节点的简单路径上，均包含相同数量的黑色节点。

3. 红黑树的操作

红黑树的操作主要有左旋、右旋、颜色翻转等。其中左旋和右旋的作用是将树的形状变换为平衡的状态，颜色翻转的作用是解决红色节点的编排问题。

左旋操作和右旋操作的实现如下：

void left_rotate(Node *node) {
  Node *p = node->right;
  node->right = p->left;
  if (p->left)
    p->left->parent = node;
  
  p->parent = node->parent;
  if (!node->parent)
    root = p;
   else if (node == node->parent->left)
    node->parent->left = p;
   else
    node->parent->right = p;
  
  p->left = node;
  node->parent = p;
}
void right_rotate(Node *node) {
  Node *p = node->left;
  node->left = p->right;
  if (p->right)
    p->right->parent = node;
  
  p->parent = node->parent;
  if (!node->parent)
    root = p;
   else if (node == node->parent->left)
    node->parent->left = p;
   else
    node->parent->right = p;
  
  p->right = node;
  node->parent = p;
}

4. Map 的实现

Map 的实现主要是通过红黑树实现的。在插入元素时，首先找到插入位置，并将该位置插入为红色节点。然后通过颜色翻转和节点旋转等操作，使得红黑树仍然满足性质。

Map 的实现代码如下所示：

template <class Key, class T, class Compare, class Allocator>
class map {
public:
  // 插入元素
  pair<iterator, bool> insert(const value_type& x);
  // 查找元素
  iterator find(const key_type& x);
private:
  // 红黑树节点
  struct node {
    value_type data; // 数据
    node *parent; // 父节点
    node *left; // 左子节点
    node *right; // 右子节点
    bool color; // 节点颜色，true 为红色，false 为黑色。
  };
  // 插入元素
  node *insert_node(node *root, node *parent, const value_type& x, bool& inserted);
  // 查找元素
  node *find_node(node *root, const key_type& x);
  // 左旋和右旋操作
  void left_rotate(node *node);
  void right_rotate(node *node);
  // 红黑树相关操作
  void color_flip(node *node);
  bool is_red(node *node) const;
private:
  node *root; // 红黑树的根节点
};

5. 总结

本文介绍了 C++ Map 的底层实现原理。Map 是由红黑树实现的一种关联容器，它按照键值进行排序，并且保证插入和查找操作的时间复杂度都为 O(logN)。红黑树是一种自平衡二叉查找树，通过左旋、右旋和颜色翻转等操作，使得红黑树仍然满足性质。Map 的实现代码主要是通过红黑树实现的。

  
  

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