数据结构和算法(Golang实现)(16)常见数据结构-字典
字典
我们翻阅书籍时，很多时候都要查找目录，然后定位到我们要的页数，比如我们查找某个英文单词时，会从英语字典里查看单词表目录，然后定位到词的那一页。
计算机中，也有这种需求。
一、字典
字典是存储键值对的数据结构，把一个键和一个值映射起来，一一映射，键不能重复。在某些教程中，这种结构可能称为符号表，关联数组或映射。我们暂且称它为字典，较好理解。
如：
键=>值 "cat"=>2 "dog"=>1 "hen"=>3
我们拿出键cat的值，就是2了。
Golang提供了这一数据结构：map，并且要求键的数据类型必须是可比较的，因为如果不可比较，就无法知道键是存在还是不存在。
Golang字典的一般的操作如下：
package main
import "fmt"
func main() {
// 新建一个容量为4的字典 map
m := make(map[string]int64, 4)
// 放三个键值对
m["dog"] = 1
m["cat"] = 2
m["hen"] = 3
fmt.Println(m)
// 查找 hen
which := "hen"
v, ok := m[which]
if ok {
// 找到了
fmt.Println("find:", which, "value:", v)
} else {
// 找不到
fmt.Println("not find:", which)
}
// 查找 ccc
which = "ccc"
v, ok = m[which]
if ok {
// 找到了
fmt.Println("find:", which, "value:", v)
} else {
// 找不到
fmt.Println("not find:", which)
}
}字典的实现有两种方式：哈希表HashTable和红黑树RBTree。Golang语言中字典map的实现由哈希表实现，具体可参考标准库runtime下的map.go文件。
我们会在《查找算法》章节：散列查找和红黑树中，具体分析字典的两种实现方式。
二、实现不可重复集合 Set
一般很多编程语言库，会把不可重复集合（Collection）命名为Set，这个Set中文直译为集合，在某些上下文条件下，我们大脑要自动过滤，集合这词指的是不可重复集合还是指统称的集合，在这里都可以看到中文博大精深。
不可重复集合Set存放数据，特点就是没有数据会重复，会去重。你放一个数据进去，再放一个数据进去，如果两个数据一样，那么只会保存一份数据。
集合Set可以没有顺序关系，也可以按值排序，算一种特殊的列表。
因为我们知道字典的键是不重复的，所以只要我们不考虑字典的值，就可以实现集合，我们来实现存整数的集合Set：
// 集合结构体
type Set struct {
m map[int]struct{} // 用字典来实现，因为字段键不能重复
len int // 集合的大小
sync.RWMutex // 锁，实现并发安全
}2.1.初始化一个集合
// 新建一个空集合
func NewSet(cap int64) *Set {
temp := make(map[int]struct{}, cap)
return &Set{
m: temp,
}
}使用一个容量为cap的map来实现不可重复集合。map的值我们不使用，所以值定义为空结构体struct{}，因为空结构体不占用内存空间。如：
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main()
// 为什么使用空结构体
a := struct{}{}
b := struct{}{}
if a == b {
fmt.Printf("right:%p\n", &a)
}
fmt.Println(unsafe.Sizeof(a))
}会打印出：
right:0x1198a98 0
空结构体的内存地址都一样，并且不占用内存空间。
2.2.添加一个元素
// 增加一个元素
func (s *Set) Add(item int) {
s.Lock()
defer s.Unlock()
s.m[item] = struct{}{} // 实际往字典添加这个键
s.len = len(s.m) // 重新计算元素数量
}首先，加并发锁，实现线程安全，然后往结构体s *Set里面的内置map添加该元素：item，元素作为字典的键，会自动去重。同时，集合大小重新生成。
时间复杂度等于字典设置键值对的复杂度，哈希不冲突的时间复杂度为：O(1)，否则为O(n)，可看哈希表实现一章。
2.3.删除一个元素
// 移除一个元素
func (s *Set) Remove(item int) {
s.Lock()
s.Unlock()
// 集合没元素直接返回
if s.len == 0 {
return
}
delete(s.m, item) // 实际从字典删除这个键
s.len = len(s.m) // 重新计算元素数量
}同理，先加并发锁，然后删除map里面的键：item。时间复杂度等于字典删除键值对的复杂度，哈希不冲突的时间复杂度为：O(1)，否则为O(n)，可看哈希表实现一章。
2.3.查看元素是否在集合中
// 查看是否存在元素
func (s *Set) Has(item int) bool {
s.RLock()
defer s.RUnlock()
_, ok := s.m[item]
return ok
}时间复杂度等于字典获取键值对的复杂度，哈希不冲突的时间复杂度为：O(1)，否则为O(n)，可看哈希表实现一章。
2.4.查看集合大小
// 查看集合大小
func (s *Set) Len() int {
return s.len
}时间复杂度：O(1)。
2.5.查看集合是否为空
// 集合是够为空
func (s *Set) IsEmpty() bool {
if s.Len() == 0 {
return true
}
return false
}时间复杂度：O(1)。
2.6.清除集合所有元素
// 清除集合所有元素
func (s *Set) Clear() {
s.Lock()
defer s.Unlock()
s.m = map[int]struct{}{} // 字典重新赋值
s.len = 0 // 大小归零
}将原先的map释放掉，并且重新赋一个空的map。
时间复杂度：O(1)。
2.7.将集合转化为列表
func (s *Set) List() []int {
s.RLock()
defer s.RUnlock()
list := make([]int, 0, s.len)
for item := range s.m {
list = append(list, item)
}
return list
}时间复杂度：O(n)。
2.8.完整例子
package main
import (
"fmt"
"sync"
"unsafe"
)
// 集合结构体
type Set struct {
m map[int]struct{} // 用字典来实现，因为字段键不能重复
len int // 集合的大小
sync.RWMutex // 锁，实现并发安全
}
// 新建一个空集合
func NewSet(cap int64) *Set {
temp := make(map[int]struct{}, cap)
return &Set{
m: temp,
}
}
// 增加一个元素
func (s *Set) Add(item int) {
s.Lock()
defer s.Unlock()
s.m[item] = struct{}{} // 实际往字典添加这个键
s.len = len(s.m) // 重新计算元素数量
}
// 移除一个元素
func (s *Set) Remove(item int) {
s.Lock()
s.Unlock()
// 集合没元素直接返回
if s.len == 0 {
return
}
delete(s.m, item) // 实际从字典删除这个键
s.len = len(s.m) // 重新计算元素数量
}
// 查看是否存在元素
func (s *Set) Has(item int) bool {
s.RLock()
defer s.RUnlock()
_, ok := s.m[item]
return ok
}
// 查看集合大小
func (s *Set) Len() int {
return s.len
}
// 清除集合所有元素
func (s *Set) Clear() {
s.Lock()
defer s.Unlock()
s.m = map[int]struct{}{} // 字典重新赋值
s.len = 0 // 大小归零
}
// 集合是够为空
func (s *Set) IsEmpty() bool {
if s.Len() == 0 {
return true
}
return false
}
// 将集合转化为列表
func (s *Set) List() []int {
s.RLock()
defer s.RUnlock()
list := make([]int, 0, s.len)
for item := range s.m {
list = append(list, item)
}
return list
}
// 为什么使用空结构体
func other() {
a := struct{}{}
b := struct{}{}
if a == b {
fmt.Printf("right:%p\n", &a)
}
fmt.Println(unsafe.Sizeof(a))
}
func main() {
//other()
// 初始化一个容量为5的不可重复集合
s := NewSet(5)
s.Add(1)
s.Add(1)
s.Add(2)
fmt.Println("list of all items", s.List())
s.Clear()
if s.IsEmpty() {
fmt.Println("empty")
}
s.Add(1)
s.Add(2)
s.Add(3)
if s.Has(2) {
fmt.Println("2 does exist")
}
s.Remove(2)
s.Remove(3)
fmt.Println("list of all items", s.List())
}打印出:
list of all items [1 2] empty 2 does exist list of all items [1]
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