C++封装红黑树实现mymap和myset完整代码_C/C++

一、源码及框架分析

在 sgi-stl 30 版本中，map 和 set 的实现巧妙地复用了同一棵红黑树（rb_tree）。其核心代码主要位于 stl_tree.h、stl_map.h 和 stl_set.h 中。

1.1 框架核心代码

以下是 set 和 map 的简化定义：

// stl_set.h
template <class key, class compare = less<key>, class alloc = alloc>
class set {
public:
    typedef key key_type;
    typedef key value_type;
private:
    typedef rb_tree<key_type, value_type,
                    identity<value_type>, key_compare, alloc> rep_type;
    rep_type t; // 底层红黑树
};
// stl_map.h
template <class key, class t, class compare = less<key>, class alloc = alloc>
class map {
public:
    typedef key key_type;
    typedef t mapped_type;
    typedef pair<const key, t> value_type;
private:
    typedef rb_tree<key_type, value_type,
                    select1st<value_type>, key_compare, alloc> rep_type;
    rep_type t; // 底层红黑树
};

1.2 红黑树的泛型设计

rb_tree 通过模板参数实现泛型，使其既能用于 set（存储 key），也能用于 map（存储 pair<const key, t>）。其结点定义如下：

template <class value>
struct __rb_tree_node : public __rb_tree_node_base {
    typedef __rb_tree_node<value>* link_type;
    value value_field; // 存储的实际数据
};

rb_tree 的模板参数：

template <class key, class value, class keyofvalue, class compare, class alloc = alloc>
class rb_tree {
    // ...
};

key：键的类型，用于 find、erase 等接口的参数类型。
value：结点中存储的数据类型，在 set 中为 key，在 map 中为 pair<const key, t>。
keyofvalue：仿函数，用于从 value 中提取 key，因为红黑树在比较时只比较键。

1.3 为何需要两个模板参数key和value？

set 的两个模板参数相同，map 则不同。这是因为：

value 决定了结点存储的内容。
key 决定了 find、erase 等函数接受的参数类型。

map 中 value 是 pair<const key, t>，但查找时只需传入 key 类型的值，因此两个模板参数缺一不可。

注：源码中命名风格略有混乱，set 使用 key，map 使用 key 和 t，rb_tree 又使用 key 和 value，但设计思路清晰。

二、模拟实现 map 和 set

接下来，我们将基于自己实现的红黑树，封装出 map 和 set。

2.1 实现红黑树框架，支持插入

我们首先实现一个红黑树 rbtree，它通过 keyoft 仿函数提取键值进行比较。

rbtree.h

enum colour { red, black };
template<class t>
struct rbtreenode {
    t _data;
    rbtreenode<t>* _left;
    rbtreenode<t>* _right;
    rbtreenode<t>* _parent;
    colour _col;
    rbtreenode(const t& data)
        : _data(data), _left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _col(red) {}
};
template<class k, class t, class keyoft>
class rbtree {
    typedef rbtreenode<t> node;
public:
    bool insert(const t& data) {
        if (_root == nullptr) {
            _root = new node(data);
            _root->_col = black;
            return 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)) {
                parent = cur;
                cur = cur->_left;
            } else {
                return false; // 键已存在
            }
        }
        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;
        // 后续平衡处理（旋转、变色）省略，完整代码见文末
        return true;
    }
private:
    node* _root = nullptr;
};

mymap.h

namespace bit {
    template<class k, class v>
    class map {
        struct mapkeyoft {
            const k& operator()(const pair<k, v>& kv) {
                return kv.first;
            }
        };
    public:
        bool insert(const pair<k, v>& kv) {
            return _t.insert(kv);
        }
    private:
        rbtree<k, pair<k, v>, mapkeyoft> _t;
    };
}

myset.h

namespace bit {
    template<class k>
    class set {
        struct setkeyoft {
            const k& operator()(const k& key) {
                return key;
            }
        };
    public:
        bool insert(const k& key) {
            return _t.insert(key);
        }
    private:
        rbtree<k, k, setkeyoft> _t;
    };
}

2.2 支持迭代器

迭代器的核心是 operator++ 和 operator--，实现中序遍历的步进逻辑。

迭代器实现思路

begin()：返回中序第一个结点（最左结点）。
end()：返回 nullptr（或源码中的哨兵头结点）。
operator++()：
- 若右子树非空，找右子树的最左结点。
- 若右子树为空，向上找第一个“当前结点是左孩子”的祖先结点。
operator--()：逻辑与 ++ 对称，反向遍历。

迭代器代码

template<class t, class ref, class ptr>
struct rbtreeiterator {
    typedef rbtreenode<t> node;
    typedef rbtreeiterator<t, ref, ptr> self;
    node* _node;
    node* _root; // 用于处理 end() 的情况
    rbtreeiterator(node* node, node* root) : _node(node), _root(root) {}
    ref operator*() { return _node->_data; }
    ptr operator->() { return &_node->_data; }
    self& operator++() {
        if (_node->_right) {
            node* leftmost = _node->_right;
            while (leftmost->_left) leftmost = leftmost->_left;
            _node = leftmost;
        } else {
            node* cur = _node;
            node* parent = cur->_parent;
            while (parent && cur == parent->_right) {
                cur = parent;
                parent = cur->_parent;
            }
            _node = parent;
        }
        return *this;
    }
    self& operator--() {
        if (_node == nullptr) { // 处理 --end()
            node* rightmost = _root;
            while (rightmost && rightmost->_right) rightmost = rightmost->_right;
            _node = rightmost;
        } else if (_node->_left) {
            node* rightmost = _node->_left;
            while (rightmost->_right) rightmost = rightmost->_right;
            _node = rightmost;
        } else {
            node* cur = _node;
            node* parent = cur->_parent;
            while (parent && cur == parent->_left) {
                cur = parent;
                parent = cur->_parent;
            }
            _node = parent;
        }
        return *this;
    }
    bool operator!=(const self& s) const { return _node != s._node; }
    bool operator==(const self& s) const { return _node == s._node; }
};

在 rbtree 中集成迭代器

template<class k, class t, class keyoft>
class rbtree {
public:
    typedef rbtreeiterator<t, t&, t*> iterator;
    typedef rbtreeiterator<t, const t&, const t*> constiterator;
    iterator begin() {
        node* leftmost = _root;
        while (leftmost && leftmost->_left) leftmost = leftmost->_left;
        return iterator(leftmost, _root);
    }
    iterator end() { return iterator(nullptr, _root); }
    // 同理实现 constiterator
private:
    node* _root = nullptr;
};

2.3 支持operator[]

map 的 [] 需要借助 insert 的返回值实现。因此，rbtree::insert 需返回 pair<iterator, bool>。

pair<iterator, bool> insert(const t& data) {
    // 插入逻辑，返回插入位置的迭代器及是否成功
}

然后在 map 中：

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

2.4 完整代码

最终版myset.h

#include "rbtree.h"
namespace bit {
    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;
    };
}

最终版mymap.h

#include "rbtree.h"
namespace bit {
    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 = insert(make_pair(key, v()));
            return ret.first->second;
        }
    private:
        rbtree<k, pair<const k, v>, mapkeyoft> _t;
    };
}

最终版rbtree.h

完整代码请参考文末总结部分，或结合上述片段整合。核心包括：

结点定义
插入与平衡（旋转、变色）
迭代器实现
find、begin、end 等接口

三、总结

通过封装红黑树实现 map 和 set，我们深入理解了 stl 中容器复用的设计思想：

泛型设计：红黑树通过 value 模板参数决定存储内容，通过 keyoft 仿函数提取键值进行比较。
迭代器实现：中序遍历的步进逻辑是迭代器实现的核心，需同时处理左右子树与祖先关系。
map 的 [] 实现：依赖于 insert 的返回值，简洁高效。
权限控制：set 的迭代器不允许修改键值，通过将 value 模板参数设为 const k 实现；map 则通过 pair<const k, v> 保护键不被修改。