展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows macOS软件 IOS软件 Android AI PDF教程 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > C++ unordered_set用法 哈希集合实现详解

C++ unordered_set用法 哈希集合实现详解

C++unordered_set基于哈希表实现,提供平均O(1)的插入、查找和删除操作,不保证元素顺序。它使用哈希函数将元素映射到桶中,采用链地址法解决冲突,默认使用std::hash,支持自定义哈希函数。当负载因子超过阈值(默认1.0)时触发rehash,可通过reserve预分配空间优化性能。相比set的O(logn)操作和有序存储,unordered_set更适合无需排序且追求高效存取的场景。

C++ unordered_set基于哈希表实现,提供平均O(1)的插入、查找和删除操作,不保证元素顺序。它使用哈希函数将元素映射到桶中,采用链地址法解决冲突,默认使用std::hash,支持自定义哈希函数。当负载因子超过阈值(默认1.0)时触发rehash,可通过reserve预分配空间优化性能。相比set的O(log n)操作和有序存储,unordered_set更适合无需排序且追求高效存取的场景。

C++ unordered_set使用 哈希集合实现

C++ unordered_set 使用哈希表实现,提供快速的元素查找、插入和删除操作。它不保证元素的特定顺序,但提供接近常数时间的平均复杂度。

哈希集合实现

unordered_set 是一个关联容器,它存储唯一元素的集合,并且允许快速查找元素。其底层实现基于哈希表,这意味着元素通过哈希函数映射到桶(buckets)中。

基本操作:

  • 插入 (insert): 计算元素的哈希值,找到对应的桶,并将元素添加到桶中。如果桶中已经存在相同的元素,则插入失败(因为 unordered_set 只存储唯一元素)。
  • 查找 (find): 计算元素的哈希值,找到对应的桶,然后在桶中搜索该元素。
  • 删除 (erase): 计算元素的哈希值,找到对应的桶,然后在桶中删除该元素。
  • 计数 (count): 计算元素的哈希值,找到对应的桶,然后在桶中检查该元素是否存在。返回 1 如果存在,否则返回 0。

哈希冲突:

由于哈希函数可能将不同的元素映射到同一个桶中,因此哈希冲突是不可避免的。unordered_set 通常使用以下方法解决哈希冲突:

  • 链地址法 (Separate Chaining): 每个桶存储一个链表(或其他数据结构)来存储所有哈希到该桶的元素。这是 unordered_set 最常用的冲突解决策略。
  • 开放寻址法 (Open Addressing): 当发生冲突时,尝试寻找下一个可用的桶来存储元素。

unordered_set 通常使用链地址法,因为它实现简单,且在负载因子(元素数量与桶数量的比率)较低时,性能表现良好。

代码示例:

#include 
#include 

int main() {
  std::unordered_set mySet;

  // 插入元素
  mySet.insert(10);
  mySet.insert(20);
  mySet.insert(30);
  mySet.insert(20); // 插入重复元素,不会生效

  // 查找元素
  if (mySet.find(20) != mySet.end()) {
    std::cout << "20 found in the set" << std::endl;
  } else {
    std::cout << "20 not found in the set" << std::endl;
  }

  // 删除元素
  mySet.erase(20);

  // 再次查找元素
  if (mySet.find(20) != mySet.end()) {
    std::cout << "20 found in the set" << std::endl;
  } else {
    std::cout << "20 not found in the set" << std::endl;
  }

  // 遍历集合
  std::cout << "Set elements: ";
  for (const int& element : mySet) {
    std::cout << element << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

  return 0;
}

unordered_set 的性能高度依赖于哈希函数和负载因子。一个好的哈希函数应该尽可能地将元素均匀地分布到不同的桶中,以减少哈希冲突。当负载因子过高时,unordered_set 会自动进行 rehash 操作,增加桶的数量,以降低负载因子并提高性能。

unordered_set 相比于 set 的优势在于其平均时间复杂度为 O(1) 的查找、插入和删除操作,而 set 的时间复杂度为 O(log n)。但是,unordered_set 不保证元素的顺序,而 set 则按照元素的排序顺序存储元素。

C++ unordered_set 的哈希函数是如何工作的?

unordered_set 使用一个哈希函数将元素映射到桶。默认情况下,unordered_set 使用 std::hash 作为哈希函数。std::hash 针对内置类型(如 intfloatstring 等)提供了默认的哈希函数实现。

对于自定义类型,你需要提供自己的哈希函数。这可以通过以下两种方式实现:

  1. 重载 std::hash 模板: 为你的自定义类型特化 std::hash 模板。
  2. 提供自定义的哈希函数对象: 创建一个类或结构体,重载 operator(),并将其作为 unordered_set 的模板参数传递。

示例:自定义类型的哈希函数

#include 
#include 

struct MyStruct {
  int x;
  int y;

  bool operator==(const MyStruct& other) const {
    return x == other.x && y == other.y;
  }
};

// 方法 1: 重载 std::hash 模板
namespace std {
  template <>
  struct hash {
    size_t operator()(const MyStruct& s) const {
      // 一个简单的哈希函数,可以将 x 和 y 的值组合起来
      return ((hash()(s.x) ^ (hash()(s.y) << 1)) >> 1);
    }
  };
}

// 方法 2: 提供自定义的哈希函数对象
struct MyStructHash {
  size_t operator()(const MyStruct& s) const {
    return ((std::hash()(s.x) ^ (std::hash()(s.y) << 1)) >> 1);
  }
};

int main() {
  // 使用重载的 std::hash
  std::unordered_set mySet1;
  mySet1.insert({1, 2});
  mySet1.insert({3, 4});

  // 使用自定义的哈希函数对象
  std::unordered_set mySet2;
  mySet2.insert({5, 6});
  mySet2.insert({7, 8});

  return 0;
}

哈希函数的设计原则:

  • 均匀分布: 哈希函数应该尽可能地将元素均匀地分布到不同的桶中,以减少哈希冲突。
  • 高效性: 哈希函数的计算应该尽可能地高效,以避免成为性能瓶颈。
  • 避免碰撞: 理想情况下,哈希函数应该为不同的元素生成不同的哈希值,但实际上这是不可能的。一个好的哈希函数应该尽可能地减少碰撞的概率。

选择合适的哈希函数对于 unordered_set 的性能至关重要。如果哈希函数设计不当,可能会导致大量的哈希冲突,从而降低 unordered_set 的性能,甚至使其退化为 O(n) 的时间复杂度。

C++ unordered_set 何时进行 rehash?

unordered_set 会在以下情况下进行 rehash 操作:

  • 当负载因子超过最大负载因子时: 负载因子是指 unordered_set 中元素的数量与桶的数量的比率。最大负载因子是一个阈值,当负载因子超过该阈值时,unordered_set 会自动进行 rehash 操作,增加桶的数量,以降低负载因子并提高性能。默认情况下,unordered_set 的最大负载因子为 1.0。可以使用 max_load_factor() 方法获取或设置最大负载因子。
  • 显式调用 rehash() 方法: 可以手动调用 rehash() 方法来强制 unordered_set 进行 rehash 操作。这通常在你知道 unordered_set 将要存储大量的元素时使用,以避免在插入元素时频繁地进行 rehash 操作。

Rehash 的过程:

Rehash 的过程包括以下步骤:

  1. 分配新的桶: 分配一个新的桶数组,其大小通常是当前桶数量的 2 倍或更大。
  2. 重新计算哈希值: 遍历 unordered_set 中的所有元素,并使用新的桶数量重新计算它们的哈希值。
  3. 将元素移动到新的桶: 将所有元素移动到新的桶中。
  4. 释放旧的桶: 释放旧的桶数组。

Rehash 是一个耗时的操作,因为它需要遍历 unordered_set 中的所有元素并重新计算它们的哈希值。因此,应该尽量避免频繁地进行 rehash 操作。

示例:控制 rehash

#include 
#include 

int main() {
  std::unordered_set mySet;

  // 设置最大负载因子
  mySet.max_load_factor(0.5);

  // 预留足够的空间,以减少 rehash 的次数
  mySet.reserve(1000);

  // 插入大量元素
  for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    mySet.insert(i);
  }

  std::cout << "Load factor: " << mySet.load_factor() << std::endl;
  std::cout << "Bucket count: " << mySet.bucket_count() << std::endl;

  return 0;
}

通过设置最大负载因子和预留足够的空间,可以有效地控制 unordered_set 的 rehash 行为,从而提高其性能。

C++ unordered_set 和 set 的区别是什么?

unordered_setset 都是 C++ 标准库中用于存储唯一元素的容器,但它们在底层实现、元素顺序和性能方面存在显著差异。

底层实现:

  • unordered_set: 基于哈希表实现。
  • set: 基于红黑树(一种自平衡二叉搜索树)实现.

元素顺序:

  • unordered_set: 不保证元素的任何特定顺序。元素在内存中的存储顺序取决于哈希函数和哈希冲突的解决策略。
  • set: 元素按照排序顺序存储。默认情况下,使用 < 运算符进行排序,但也可以提供自定义的比较函数。

性能:

操作unordered_set (平均)set (平均)
插入 (insert)O(1)O(log n)
查找 (find)O(1)O(log n)
删除 (erase)O(1)O(log n)
  • unordered_set: 在平均情况下,插入、查找和删除操作的时间复杂度为 O(1)。但在最坏情况下(例如,所有元素都哈希到同一个桶中),时间复杂度可能退化为 O(n)。
  • set: 插入、查找和删除操作的时间复杂度为 O(log n)。

内存占用:

  • unordered_set: 通常比 set 占用更多的内存,因为它需要额外的空间来存储哈希表。
  • set: 内存占用相对较少,因为它只需要存储元素和红黑树的节点信息。

使用场景:

  • unordered_set: 适用于需要快速查找、插入和删除元素,并且不关心元素顺序的场景。例如,去重、统计元素出现次数等。
  • set: 适用于需要按照排序顺序存储元素,并且需要进行范围查找等操作的场景。例如,维护一个有序的排行榜、实现一个字典等。

总结:

特性unordered_setset
底层实现哈希表红黑树
元素顺序无序有序
查找、插入、删除O(1) (平均)O(log n)
内存占用较高较低

选择 unordered_set 还是 set 取决于具体的应用场景和性能需求。如果需要快速的查找、插入和删除操作,并且不关心元素的顺序,那么 unordered_set 是一个更好的选择。如果需要按照排序顺序存储元素,并且需要进行范围查找等操作,那么 set 是一个更好的选择。

本文内容来源于互联网,如有侵权请联系删除。
作者最新文章
编程开发 C++
相关文章 更多
精品专题 更多
本月促销

正软商城本月促销专区,汇集办公、设计、安全、影音、系统工具及AI软件等正版软件优惠活动,提供限时折扣、特价授权和优惠购买信息,活动库存及价格以页面实时展示为准。

装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

IOS软件

正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

AI

正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

PDF教程

正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

Mac软件 更多
灵活计算器
灵活计算器

灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

赤友清理大师
赤友清理大师

赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

极度公式
极度公式

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

图几
图几

图几是一款适用于 macOS 的截图、标注与美化工具,支持离线操作保障隐私。界面整理和高频系统操作被放到一起考虑,桌面或窗口内容一多时,管理起来会更省心。

密码键盘
密码键盘

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

思源笔记
思源笔记

思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

Office 365 简体中文
Office 365 简体中文

一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

WALTR PRO
WALTR PRO

WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

CodeExpander
CodeExpander

CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

Mountain Duck
Mountain Duck

Mountain Duck 是一款能将多个网盘挂载到本地的工具,像本地磁盘一样使用网盘。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

Menuist
Menuist

Menuist 是一款面向 macOS 的 Finder 右键菜单增强工具,主要用来补充新建文件、快捷导航等常用操作,让日常文件管理和访问路径时更高效、更顺手。

Mole
Mole

Mole 是一款专为 Mac 设计的深度清理优化工具,涵盖缓存清理、应用管理及实时状态监控等功能。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

WINDOWS 更多
Windows 10
Windows 10

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

思源笔记
思源笔记

思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

傲梅轻松备份
傲梅轻松备份

傲梅轻松备份是一款专业易用的数据备份软件,为重要数据提供安全保障。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

Office 365 简体中文
Office 365 简体中文

一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

Wise Folder Hider Pro
Wise Folder Hider Pro

Wise Folder Hider Pro 是一款专业级文件和文件夹隐藏加密软件,为私密数据添加多重保护。高频操作更强调就近处理,浏览、整理和跨目录移动文件时,来回切换和重复点击都会少很多。

WALTR PRO
WALTR PRO

WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

CodeExpander
CodeExpander

CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

PinStack
PinStack

PinStack是一款轻量级的Windows平台剪贴板管理工具,优化您的剪贴板使用体验。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

Mountain Duck
Mountain Duck

Mountain Duck 是一款能将多个网盘挂载到本地的工具,像本地磁盘一样使用网盘。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

Seer
Seer

Seer是一款在Win平台下的空格键功能增强效率工具,只需轻敲空格键,就能预览几乎任何格式的文件。它更适合把零散的小功能集中起来使用,处理高频琐碎任务时会更省事。