C++ unordered_set源码解读

# 1. C++ unordered_set简介

C++标准库中的`unordered_set`是一个容器，它提供了一种快速访问数据的方式，不以特定的顺序存储唯一的元素。这个容器基于哈希表实现，使得元素的查找和插入操作有着平均常数时间复杂度O(1)，理论上讲，`unordered_set`的性能优于标准库中的`set`容器，后者基于平衡树实现，元素的访问时间复杂度为O(log n)。

在本章节，我们将首先介绍`unordered_set`的使用场景，接着解释它是如何在C++标准模板库中实现的，并将通过一些基础的代码示例来展示它的基本操作。这样的入门知识将为深入理解`unordered_set`的工作原理和高级特性打下坚实的基础。通过本章内容，读者将对`unordered_set`有初步的认识，并了解它的核心优势和使用限制。

# 2. C++ unordered_set的基本原理

## 2.1 哈希表的基本概念

### 2.1.1 哈希函数和哈希冲突

哈希表是一种基于数组实现的数据结构，它通过一个哈希函数将键映射到表中的位置来存储数据。哈希函数需要设计得尽可能均匀，以减少哈希冲突，也就是两个不同键映射到同一位置的情况。在C++的`unordered_set`中，哈希函数的选择和实现直接影响到容器的性能。

哈希冲突的解决方法一般有以下几种：

- **开放寻址法**：当发生冲突时，依次检查数组中的下一个位置，直到找到空位置。
- **链地址法**：每个数组位置维护一个链表，所有冲突的元素都放到同一个链表中。

C++标准库中的`unordered_set`使用的是链地址法，这种方式在处理哈希冲突时有很好的性能表现，尤其是在哈希函数设计得不是特别好的情况下。

### 2.1.2 装载因子与动态扩容

装载因子（load factor）是哈希表中当前元素的数量与表大小的比值。随着装载因子的增加，哈希表的性能会下降，因为更多的元素会映射到同一个位置，从而导致更频繁的哈希冲突。`unordered_set`在装载因子超过某个阈值时，会进行动态扩容，重新调整表的大小并重新组织数据。

当扩容发生时，所有的元素都会根据新的哈希函数重新计算位置，并迁移到新的位置。这个过程会消耗额外的时间和内存资源，但为了保证后续操作的效率，这是必要的。`unordered_set`的扩容策略通常是将表的大小增加到原来的两倍，这是一个折中的选择，既保证了空间的利用率，也避免了频繁的扩容。

## 2.2 unordered_set的数据结构设计

### 2.2.1 核心数据结构解析

C++标准库中的`unordered_set`是由`_LIBCPP_VERSION`宏定义决定的，它内部使用了`_Node`结构体来存储元素。`_Node`结构体通常包含了键值对以及一个指向下一个节点的指针，从而形成一个链表结构。

每个`unordered_set`对象实际上是一个指针数组，数组中的每个元素指向一个链表的头节点。数组的大小（桶数量）在默认情况下是16，但可以通过构造函数中的`hint`参数来指定一个推荐值。此外，`unordered_set`还维护了一个当前存储元素的数量，以快速获取集合的大小。

### 2.2.2 内存管理和元素布局

`unordered_set`的内存管理是非常高效的。其构造函数分配了一个指针数组，用于存储桶，每个桶是一个链表的头节点。当元素插入时，会根据哈希值确定元素应该插入哪个桶，并使用节点指针链接到链表中。

当元素被删除时，链表中相应的节点会被移除，并释放内存（如果容器是`unordered_set`的实例，它将被销毁；如果是裸指针，则不会被自动释放）。整个过程是透明的，由`unordered_set`自动管理，这意味着用户不需要关心内存的分配和释放问题。

## 2.3 unordered_set的迭代器实现

### 2.3.1 迭代器的类别和特性

`unordered_set`提供了一套完备的迭代器类别，支持双向迭代器。迭代器允许我们按顺序访问容器中的每个元素，但不提供随机访问能力。这是因为内部的链表结构不支持随机访问，迭代器只能在链表中前进或后退。

迭代器的一个关键特性是它与容器的生命周期绑定。当`unordered_set`的容器被销毁时，所有与之关联的迭代器也会失效。此外，由于`unordered_set`的元素是基于哈希表存储的，所以迭代器在遍历过程中不保证元素的顺序。

### 2.3.2 迭代器操作的底层机制

迭代器的底层机制涉及到`_Node`结构体的指针操作。在迭代器解引用时，它会返回当前指向的节点的值。当使用迭代器前进时，它会移动到链表中的下一个节点。如果使用迭代器后退，由于`unordered_set`是基于哈希表实现的，实际上它需要重新遍历整个容器来定位到前一个元素。

迭代器操作还涉及到对容器状态的检查，如检查是否越界。迭代器的构造和复制操作会初始化节点指针，使得它可以开始在哈希表的特定位置进行遍历。

以上详细介绍了C++中`unordered_set`的基本原理，包括哈希表的基础概念、数据结构设计、迭代器的实现细节。为了加深理解，我们通过分析数据结构、内存布局、迭代器操作来揭示`unordered_set`背后的工作机制。在下一章，我们将深入探讨`unordered_set`的核心功能，如插入、查找、删除操作的内部原理。

# 3. C++ unordered_set核心功能剖析

## 3.1 插入操作的内部机制

### 3.1.1 插入算法分析
C++中的`unordered_set`提供了一个非常快速的插入操作，其内部依赖于哈希表的特性，即通过哈希函数快速定位元素应该存放的位置。在进行插入操作时，首先计算元素的哈希值，然后根据哈希值找到对应的哈希桶（bucket），接下来通过链表遍历桶中的节点以查找是否存在相同的元素。如果不存在，则将新元素插入链表中。这种机制确保了快速的插入性能，因为大部分时间复杂度为O(1)，仅在哈希冲突较多时退化为O(n)。

### 3.1.2 异常安全保证
`unordered_set`在进行插入操作时需要保证异常安全。异常安全意味着当操作中抛出异常时，程序仍然处于一个有效且一致的状态。为了达到这一点，`unordered_set`的设计中使用了 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）惯用法。元素在创建时不会直接插入，而是在资源管理对象的构造函数中完成，这保证了异常发生时，对象能够正确地析构，并释放资源。此外，插入操作通常在修改内部数据结构前进行异常检查，以确保插入过程中发生任何异常都不会破坏容器的内部状态。

### 代码分析
下面是一个简化的插入操作的代码实现：

template <class Value, class Hash, class Pred, class Allocator>
pair<typename unordered_set<Value, Hash, Pred, Allocator>::iterator, bool>
unordered_set<Value, Hash, Pred, Allocator>::insert(const value_type& val) {
    size_type n = this->bucket_count();
    size_type h = this->hash_function()(val);
    size_type i = h % n;
    for (iterator it = bucket_begin(i); it != bucket_end(i); ++it) {
        if (pred(*it, val) || (!pred(val, *it) && !(val < *it)))