C語言哈希表概念超詳細(xì)講解
1. 哈希概念
哈希其實(shí)在學(xué)排序時(shí)已經(jīng)用過了,就是計(jì)數(shù)排序。計(jì)數(shù)排序也是用的一種映射關(guān)系。
比如對此數(shù)組進(jìn)行 計(jì)數(shù)排序 :1 1 9 9 9 3 3 8 8
我用的是絕對映射 ,所以開辟的數(shù)組空間 它的大小 必須 能映射到 最大的元素。
但是 對于哈希來講,可以用決定映射嘛?當(dāng)然不可以,如果是絕對映射會造成很大的空間浪費(fèi)。所以 哈希 用的是 取模的方式來存 數(shù)據(jù)。
比如 : 哈希表 的空間 我給定 只能存放 10個(gè)元素
存進(jìn)來的數(shù) 對10進(jìn)行取模 ,那么必定可以存方到 這個(gè)哈希表中。
比如:存 100 ,它對10取模得 0,那它就存在第一個(gè)位置;存 52 ,它對10進(jìn)行取模得 2,那它就存到 下標(biāo)為 2的位置。
也就是說 無論多大的數(shù)據(jù),都可以存到哈希表中。但是 有兩個(gè) 問題:
- 數(shù)據(jù)都能進(jìn)行取模嗎?假如我要求哈希表中存的是一個(gè)字符串,字符串不能進(jìn)行取模運(yùn)算,該怎么辦?這就是數(shù)據(jù)可否哈希的問題,我們要把存進(jìn)哈希表的數(shù)據(jù),變?yōu)榭晒?shù)據(jù)。
- 如果我存的是 4,下一次我要存的是 14。由于 4的位置已經(jīng)被占了,我存的 14 該存放到何處?要是直接存,就意味著前面存的 4 會被覆蓋,造成數(shù)據(jù)丟失。這就是哈希沖突問題。
2. 哈希沖突
造成了哈希沖突,得解決哈希沖突問題。
這里給出兩種解決手段:
閉散列:也叫開放定址法,當(dāng)發(fā)生哈希沖突時(shí),如果哈希表未被裝滿,說明在哈希表中必然還有空位置,那么可以把key存放到?jīng)_突位置中的“下一個(gè)” 空位置中去。
它相當(dāng)于 如果我本來要存的位置,已經(jīng)被占了,那么我就要在哈希表中找一個(gè)空位置存放。開散列:開散列法又叫鏈地址法(開鏈法),首先對關(guān)鍵碼集合用散列函數(shù)計(jì)算散列地址,具有相同地址的關(guān)鍵碼歸于同一子集合,每一個(gè)子集合稱為一個(gè)桶,各個(gè)桶中的元素通過一個(gè)單鏈表鏈接起來,各鏈表的頭結(jié)點(diǎn)存儲在哈希表中。
這種辦法是常用的,它相當(dāng)于 哈希表 每個(gè)位置 都存的是一個(gè)哈希桶,如果發(fā)送哈希沖突,直接就放在哈希桶里就行了。
3. 哈希實(shí)現(xiàn)
哈希表其實(shí)就是一個(gè)數(shù)組,數(shù)組中存的是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),發(fā)生哈希沖突后,采用的是往后找空位置的方法。
圖解:
(1) 10 % 6 == 4,所以插入到下標(biāo)為4的位置
(2) 20%6==2,插入到下標(biāo)為2的位置
(3)12%6 == 0,插入到下標(biāo)為0的位置。
(4)22%6 == 4,插入到下標(biāo)為4的位置,發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)據(jù)了,所以向后找空位置。
(5)44%6 == 2,插入到下標(biāo)為2的位置,發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)據(jù)了,所以向后找空位置。
哈希桶其實(shí)就是一個(gè)數(shù)組,數(shù)組中存的是節(jié)點(diǎn)鏈表,發(fā)生哈希沖突后,是直接插入到節(jié)點(diǎn)鏈表中。
如果是哈希桶,存放上面的數(shù)據(jù),是什么樣的呢?
圖解:
它相當(dāng)于把發(fā)生沖突的數(shù)據(jù) 掛在了 沖突位置的下面。
3.1 閉散列(哈希表)
#include<vector> #include<iostream> using namespace std; namespace hash_table { enum status { Empty, Exist, Delete }; template<class K,class V> struct hashdate { pair<K, V> _kv; status _status = Empty; }; template<class K,class V> class close_hashtable { typedef hashdate<K, V> Node; private: vector<Node> _tables; size_t _n = 0; public: Node* find(const K& key) { if (_tables.size() == 0) return nullptr; size_t start = key % _tables.size(); size_t i = 0; size_t index = start + i; while (_tables[index]._status != Empty) { if (_tables[index]._kv.first == key && _tables[index]._status == Exist) return &_tables[index]; i++; index = start + i; index %= _tables.size(); } return nullptr; } bool erase(const K& key) { Node* ret = find(key); if (ret == nullptr) return false; ret->_status = Delete; _n -= 1; return true; } bool insert(const pair<K,V>& kv) { Node* ret = find(kv.first); if (ret) { return false; } if (_tables.size() == 0 || _n * 10 / _tables.size() >= 7) { size_t newsize = _tables.size() == 0 ? 10 : _tables.size() * 2; close_hashtable<K, V> tmp; tmp._tables.resize(newsize); for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++) { tmp.insert(_tables[i]._kv); } _tables.swap(tmp._tables); } size_t start = kv.first % _tables.size(); size_t i = 0; size_t index = start + i; while (_tables[index]._status == Exist) { i++; index = start + i; index %= _tables.size(); } _tables[index]._kv = kv; _tables[index]._status = Exist; _n += 1; return true; } }; }
以上就是閉散列的實(shí)現(xiàn)。我們來一步一步的解析以上代碼。
(1) 用枚舉常量來 標(biāo)記 哈希表中 每個(gè)位置的狀態(tài),狀態(tài)有 空,不為空,被刪除。
大家可能會對 被刪除這個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生疑問,一個(gè)位置 不就是 有數(shù)據(jù)和沒數(shù)據(jù)嗎?主要是大家想 如果 直接物理上刪除,把位置 狀態(tài)設(shè)置為 空,那么 就會影響后面的數(shù)據(jù)。
比如:刪除 5 這個(gè)數(shù)據(jù)、
直接將 5 的位置 設(shè)置為空,那么 15 這個(gè)數(shù)據(jù) 會受到影響。因?yàn)?對 哈希表大小取模后,等于 5 的 不一定只有 5,還有 15,25,35。如果 將 5位置直接設(shè)置 為 空,就相當(dāng)于 后面的數(shù)據(jù)中 已經(jīng)沒有 15,25,35 了。具體我們往下看查找的實(shí)現(xiàn)。
enum status { Empty, Exist, Delete };
(2) 哈希表中的數(shù)據(jù)類型,以及哈希表的底層結(jié)構(gòu)
哈希表中的數(shù)據(jù)類型,是一個(gè)結(jié)構(gòu)體 ,包括了 一個(gè)鍵值對和狀態(tài):
template<class K,class V> struct hashdate { pair<K, V> _kv; // 默認(rèn)狀態(tài)為空 status _status = Empty; };
哈希表的底層結(jié)構(gòu),可以是一個(gè)數(shù)組,還得有一個(gè) 無符號整數(shù)用來處理 哈希表中數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù):
typedef hashdate<K, V> Node; private: vector<Node> _tables; size_t _n = 0;
(3) 哈希表的查找
Node* find(const K& key) { if (_tables.size() == 0) return nullptr; size_t start = key % _tables.size(); size_t i = 0; size_t index = start + i; while (_tables[index]._status != Empty) { if (_tables[index]._kv.first == key && _tables[index]._status == Exist) return &_tables[index]; i++; index = start + i; index %= _tables.size(); } return nullptr; }
注意: while循環(huán)中,它的條件是 _tables[index]._status != Empty 說明 即使當(dāng)下位置狀態(tài)是 Delete 也會往后找 要查找的數(shù)據(jù)。這也解釋了上文中所述。
找到了的條件是 (_tables[index]._kv.first == key && _tables[index]._status == Exist)
找到了返回 數(shù)據(jù)的地址,找不到 返回 空。
(4) 哈希表的插入
bool insert(const pair<K,V>& kv) { // 去重 Node* ret = find(kv.first); if (ret) { return false; } // 擴(kuò)容,后面講,大家可能對這個(gè)條件有疑問 if (_tables.size() == 0 || _n * 10 / _tables.size() >= 7) { size_t newsize = _tables.size() == 0 ? 10 : _tables.size() * 2; close_hashtable<K, V> tmp; tmp._tables.resize(newsize); for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++) { tmp.insert(_tables[i]._kv); } _tables.swap(tmp._tables); } size_t start = kv.first % _tables.size(); size_t i = 0; size_t index = start + i; // 找空的位置 while (_tables[index]._status == Exist) { i++; index = start + i; index %= _tables.size(); } // 插入操作 _tables[index]._kv = kv; _tables[index]._status = Exist; _n += 1; return true; }
擴(kuò)容是有說法的,首先我們要知道什么時(shí)候需要擴(kuò)容?
- 如果為空,必然需要擴(kuò)容,默認(rèn)給 10 個(gè)大小即可。
- 當(dāng)有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) 除以 數(shù)組大小 大于等于 0.7 時(shí),需要擴(kuò)容
其實(shí) 有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) 除以 數(shù)組大小 被稱為 載荷因子,當(dāng)載荷因子 大于 0.7時(shí),就說明需要擴(kuò)容了。這是大佬們搞出來的,我們還需要知道,載荷因子 越大就說明 填入哈希表的元素越多,越可能發(fā)送哈希沖突。
擴(kuò)容的操作,我是 創(chuàng)建了一個(gè)新的哈希表,然后把原表中的數(shù)據(jù)插入到新表中。這里還有一個(gè)坑,就是,可不可以 直接將舊表的數(shù)據(jù)拷貝到新表中,答案是 不行。
舉個(gè)例子:
原表是 :
新表是:
直接拷貝的話是這樣的:
看圖也懂了哈,擴(kuò)容后的表 是需要重新插入數(shù)據(jù),因?yàn)?位置 可能會發(fā)送改變。
擴(kuò)容完了,就是插入了,如果當(dāng)下的位置是 Delete 或者 Eempty 那么就可以直接插入;否則就需要向后面查找空的位置,進(jìn)行插入。
(5) 哈希表的刪除
bool erase(const K& key) { Node* ret = find(key); if (ret == nullptr) return false; ret->_status = Delete; _n -= 1; return true; }
刪除很簡單,就是將那個(gè)位置的狀態(tài)改為 Delete,然后有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) 減一 就行了。
3.1.1 閉散列的細(xì)節(jié)
首先,上面的哈希表其實(shí)還有問題。
比如: 不是所有的數(shù)據(jù)都可以取模,這個(gè)問題,并沒有解決,上面實(shí)現(xiàn)是 直接取模。
所以還需要實(shí)現(xiàn)一個(gè) 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為可哈希數(shù)據(jù)的仿函數(shù)。為什么是仿函數(shù)呢?因?yàn)?數(shù)據(jù)類型較多,情況不一,這里還用到了模板特化的知識,大家坐穩(wěn)扶好。
template<class K> struct Hash { size_t operator()(const K& key) { return key; } }; template<> struct Hash<string> { size_t operator()(const string& key) { size_t value = 0; for (auto ch : key) { value *= 31; value += ch; } return value; } };
第二個(gè)就是模板的特化, 它的作用就是 將string對象 可以轉(zhuǎn)換 成 整型(可哈希)。至于為什么每次都乘以 31 ,這也是大佬的手法,因?yàn)槎啻螠y試后發(fā)現(xiàn),乘以 31 會使 哈希沖突少一些。
默認(rèn)情況下,就是直接返回 key,也就是默認(rèn)情況下都是可哈希的。
如果 你要哈希一個(gè)自定義對象,那么還得是用模板的特化,自己處理。
所以有了仿函數(shù)之后,我們就不必?fù)?dān)心,傳過去的數(shù)據(jù)是否能夠 被哈希了,靠仿函數(shù)去處理。具體怎么用,后面會給出完整代碼。
其次,還有一個(gè)問題,就是 線性探索和二次探索:
大家可能對這倆詞不陌生,也就是哈希表中,發(fā)生哈希沖突后,查找空位置時(shí),是連續(xù)的查找空位置還是 平方次的跳躍的查找。
當(dāng)然是二次查找更優(yōu)秀一些,上面的程序用的是線性探索,也就是 那個(gè) i++
,它就是連續(xù)的往后查找。為什么呢?因?yàn)?如果是線性探索,它會比較擁擠,連續(xù)位置太多,從而引發(fā)踩踏效應(yīng),也就導(dǎo)致,每次來的數(shù)據(jù),都需要去找空位置。
二次探索很簡單,把 i++ 變成 i =i *i。
3.1.2 優(yōu)化后的閉散列
enum status { Empty, Exist, Delete }; template<class K> struct Hash { size_t operator()(const K& key) { return key; } }; template<> struct Hash<string> { size_t operator()(const string& key) { size_t value = 0; for (auto ch : key) { value *= 31; value += ch; } return value; } }; template<class K,class V> struct hashdate { pair<K, V> _kv; status _status = Empty; }; template<class K,class V,class Hashfunc = hash<K>> class close_hashtable { typedef hashdate<K, V> Node; private: vector<Node> _tables; size_t _n = 0; public: Node* find(const K& key) { if (_tables.size() == 0) return nullptr; Hashfunc hf; size_t start = hf(key)% _tables.size(); size_t i = 0; size_t index = start + i; while (_tables[index]._status != Empty) { if (_tables[index]._kv.first == key && _tables[index]._status == Exist) return &_tables[index]; i = i*i; index = start + i; index %= _tables.size(); } return nullptr; } bool erase(const K& key) { Node* ret = find(key); if (ret == nullptr) return false; ret->_status = Delete; _n -= 1; return true; } bool insert(const pair<K,V>& kv) { Node* ret = find(kv.first); if (ret) { return false; } if (_tables.size() == 0 || _n * 10 / _tables.size() >= 7) { size_t newsize = _tables.size() == 0 ? 10 : _tables.size() * 2; close_hashtable<K, V> tmp; tmp._tables.resize(newsize); for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++) { tmp.insert(_tables[i]._kv); } _tables.swap(tmp._tables); } Hashfunc hf; size_t start = hf(kv.first) % _tables.size(); size_t i = 0; size_t index = start + i; while (_tables[index]._status == Exist) { i = i*i; index = start + i; index %= _tables.size(); } _tables[index]._kv = kv; _tables[index]._status = Exist; _n += 1; return true; } };
3.2 擴(kuò)散列(哈希桶)
template<class K,class V> struct HashNode { pair<K, V> _kv; HashNode<K,V>* _next; HashNode(const pair<K, V>& kv) :_kv(kv), _next(nullptr) { } }; template<class K,class V,class Hashfunc = Hash<K>> class link_hashtable { typedef HashNode<K, V> Node; private: vector<Node*> _tables; size_t _n = 0; public: Node* find(const K& key) { if (_tables.size() == 0) return nullptr; Hashfunc hf; size_t index = hf(key) % _tables.size(); Node* cur = _tables[index]; while (cur) { if (cur->_kv.first == key) return cur; else cur = cur->_next; } return nullptr; } bool erase(const K& key) { Node* ret = find(key); if (ret == nullptr) { return false; } Hashfunc hf; size_t index = hf(key) % _tables.size(); Node* pre = nullptr; Node* cur = _tables[index]; while (cur) { Node* next = cur->_next; if (cur->_kv.first == key) { if (pre == nullptr) { _tables[index] = next; } else { pre->_next = next; } delete cur; _n -= 1; return true; } else { pre = cur; cur = next; } } return false; } bool insert(const pair<K,V>& kv) { Node* ret = find(kv.first); if (ret) { return false; } Hashfunc hf; if (_n == _tables.size()) { size_t newSize = _tables.size() == 0 ? 10 : _tables.size() * 2; vector<Node*> newTables; newTables.resize(newSize); for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i) { Node* cur = _tables[i]; while (cur) { Node* next = cur->_next; size_t index = hf(cur->_kv.first) % newTables.size(); // 頭插 cur->_next = newTables[index]; newTables[index] = cur; cur = next; } _tables[i] = nullptr; } _tables.swap(newTables); } size_t index = hf(kv.first) % _tables.size(); Node* newnode = new Node(kv); newnode->_next = _tables[index]; _tables[index] = newnode; } }; }
(1) 哈希桶的節(jié)點(diǎn)以及底層結(jié)構(gòu)
哈希桶的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)單向鏈表,它得有數(shù)據(jù),是一個(gè)鍵值對,還得有 下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針。
template<class K,class V> struct HashNode { pair<K, V> _kv; HashNode<K,V>* _next; HashNode(const pair<K, V>& kv) :_kv(kv), _next(nullptr) { } };
哈希桶的底層,是一個(gè)數(shù)組,數(shù)組中存的是節(jié)點(diǎn)的指針,當(dāng)然還得有一個(gè)有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),它是用于判斷是否需要擴(kuò)容的。
template<class K,class V,class Hashfunc = Hash<K>> class link_hashtable { typedef HashNode<K, V> Node; private: vector<Node*> _tables; size_t _n = 0; public: }
(2) 哈希桶的查找
查找也簡單呢,就是迭代往下查找,如果找到就返回,位置的指針,找不到就返回空。
Node* find(const K& key) { if (_tables.size() == 0) return nullptr; Hashfunc hf; size_t index = hf(key) % _tables.size(); Node* cur = _tables[index]; while (cur) { if (cur->_kv.first == key) return cur; else cur = cur->_next; } return nullptr; }
(3) 哈希桶的插入
bool insert(const pair<K,V>& kv) { Node* ret = find(kv.first); if (ret) { return false; } Hashfunc hf; if (_n == _tables.size()) { size_t newSize = _tables.size() == 0 ? 10 : _tables.size() * 2; vector<Node*> newTables; newTables.resize(newSize); for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i) { Node* cur = _tables[i]; while (cur) { Node* next = cur->_next; size_t index = hf(cur->_kv.first) % newTables.size(); // 頭插 cur->_next = newTables[index]; newTables[index] = cur; cur = next; } // 將舊桶置空 _tables[i] = nullptr; } _tables.swap(newTables); } size_t index = hf(kv.first) % _tables.size(); Node* newnode = new Node(kv); newnode->_next = _tables[index]; _tables[index] = newnode; }
先考慮插入的數(shù)據(jù)的key有沒有重復(fù),如果重復(fù)了那就直接返回。其實(shí)就是個(gè)頭插,中間代碼很多是擴(kuò)容,我們先不考慮擴(kuò)容,其實(shí) 插入的代碼就是:
size_t index = hf(kv.first) % _tables.size(); Node* newnode = new Node(kv); newnode->_next = _tables[index]; _tables[index] = newnode;
擴(kuò)容的話,和哈希表同理,擴(kuò)完容之后,哈希桶的位置可能會變化,所以要自己完成重新插入工作,不過擴(kuò)容的條件不再是 載荷因子 >=0.7,而是 載荷因子等于 1時(shí)才擴(kuò)容。
(4) 哈希桶的刪除
bool erase(const K& key) { Node* ret = find(key); if (ret == nullptr) { return false; } Hashfunc hf; size_t index = hf(key) % _tables.size(); // 前一個(gè)節(jié)點(diǎn) Node* pre = nullptr; //桶的第一個(gè)節(jié)點(diǎn) Node* cur = _tables[index]; while (cur) { // 桶的下一個(gè)節(jié)點(diǎn) Node* next = cur->_next; // 找到要?jiǎng)h除的節(jié)點(diǎn) if (cur->_kv.first == key) { // 頭刪 if (pre == nullptr) { _tables[index] = next; } // 中間刪或者尾刪 else { pre->_next = next; } delete cur; _n -= 1; return true; } else { // 往桶下面迭代 pre = cur; cur = next; } } }
一上來 先檢查要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)是否存在,存在就往下走,不存在直接返回。
然后就是 找要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)在那個(gè)桶中:
Hashfunc hf; size_t index = hf(key) % _tables.size();
再就是 在這個(gè)桶中 刪除,我們需要考慮幾件事:
- 桶中是單向鏈表,刪除的話我需要維護(hù)鏈表的關(guān)系,所以需要記錄刪除數(shù)據(jù)的前一個(gè)數(shù)據(jù)
- 要?jiǎng)h除的節(jié)點(diǎn)如果是頭節(jié)點(diǎn),就不需要維護(hù)和前一個(gè)數(shù)據(jù)的關(guān)系,因?yàn)樗褪堑谝粋€(gè)
- 要?jiǎng)h除的節(jié)點(diǎn)在中間或者最后,那就需要維護(hù)和前一個(gè)的關(guān)系
3.2.1 擴(kuò)散列的細(xì)節(jié)
擴(kuò)散列是有極端情況的,比如 我開辟的數(shù)組大小是 10 ,插入的數(shù)據(jù)是 10,20,30,40,50,60 …… 10000000000,這些數(shù)據(jù)都插入到了一個(gè)桶里面。
會導(dǎo)致哈希桶變成這樣:
會發(fā)現(xiàn),效率退化了,哈希的查找一般情況是O(1) ,但是這種情況下,退化成O(n)了。所以應(yīng)該怎么辦?大佬其實(shí)是給出解決方案的,就是一個(gè)桶中的元素超過了某一個(gè)量,那么就會將這個(gè)桶中的數(shù)據(jù)用紅黑樹組織起來,對于這個(gè)量jave和C++還不一樣。
這就是所謂的桶中種樹。
但是上面的哈希桶,我沒有支持這種高級操作,我覺得只要了解這個(gè)事情就行了,至于實(shí)現(xiàn),也是可以的,但是對于我們要學(xué)習(xí)哈希,沒太大幫助。
4. 哈希表和哈希桶的比較
哈希桶處理溢出,需要增設(shè)鏈接指針,似乎增加了存儲開銷。
事實(shí)上: 由于哈希表必須保持大量的空閑空間以確保搜索效率,如二次探查法要求裝載因子a <= 0.7,而表項(xiàng)所占空間又比指針大的多,所以使用鏈地址法反而比開地址法節(jié)省存儲空間。
哈希表處理哈希沖突用的是搶占別的位置,可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)比較阻塞,也就是每進(jìn)來一個(gè)數(shù)據(jù)都需要去搶占別人的位置。
哈希桶處理哈希沖突用的是在沖突位置,增加鏈節(jié)點(diǎn)的方法,但是有可能造成,單向鏈表太長從而影響效率,所以需要將單向鏈表變?yōu)榧t黑樹管理起來。
5. 結(jié)尾語
學(xué)完哈希,能干什么?說實(shí)話哈希很重要,學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),你說你不會哈希,那么就相當(dāng)于你白學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了,就是這么夸張哈,以后工作也會大量用到哈希的。所以大家加油。在我的下一篇文章中,會利用哈希桶去實(shí)現(xiàn)unordered_map和unordered_set,也算是用上了哈希。當(dāng)然位圖呀,布隆過濾器呀,海量處理數(shù)據(jù)等 都會用到哈希。
到此這篇關(guān)于C語言哈希表概念超詳細(xì)講解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語言哈希表內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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這篇文章主要介紹了C++11中std::move、std::forward、左右值引用、移動構(gòu)造函數(shù)的測試,本文通過實(shí)例代碼給大家介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值,需要的朋友可以參考下2020-09-09C++數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之AVL樹的實(shí)現(xiàn)
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