一、源码框架分析（SGI-STL 设计思想）

SGI-STL30版本源代码，map和set源代码在map / set / stl_map.h / stl_set.h / stl_tree.h 等几个头文件中。

map和set的实现结构框架核心部分截取出来如下：

1.1 核心复用设计：一颗红黑树，两种容器

容器传给 rb_tree 的模板参数结点存储的数据类型
setrb_tree<Key, Key, identity<Key>, ...>Key（键即值）
maprb_tree<Key, pair<const Key, T>, select1st<pair>, ...>pair<const Key, T>（键值对）

关键洞察：rb_tree 的第二个模板参数 Value 决定了结点中存储什么数据，从而实现泛型——同一棵红黑树既能当 set 用，也能当 map 用。

1.2 为什么 set 要传两个相同的 Key 参数？

// set: 两个参数都是 Key
rb_tree<Key, Key, identity<Key>, ...>

// map: 第一个是 Key，第二个是 pair<Key, T>
rb_tree<Key, pair<const Key, T>, select1st<...>, ...>

二、模拟实现的核心步骤

2.1 解决"如何只比较 Key"的问题——KeyOfT 仿函数

因为 rb_tree 是泛型的，它不知道 T 到底是 K 还是 pair<K, V>，所以无法直接比较。需要在 map/set 层提供仿函数，从 T 中提取 Key：

// set 层：T 就是 K，直接返回
struct SetKeyOfT {
    const K& operator()(const K& key) { return key; }
};

// map 层：T 是 pair<K, V>，返回 first
struct MapKeyOfT {
    const K& operator()(const pair<K, V>& kv) { return kv.first; }
};

然后在 RBTree 的 Insert 中通过仿函数取出 Key 再比较：

KeyOfT kot;
if (kot(cur->_data) < kot(data)) { ... }

三、迭代器实现（重点难点）

3.1 迭代器是中序遍历的"游标"

map/set 的迭代器按 中序（左-根-右） 遍历，即升序顺序。

迭代器就是"中序遍历的游标"。它不像数组那样内存连续、直接 ++ 就行，红黑树是分散在内存中的结点，必须通过逻辑计算找到"下一个"。

operator++ 的两条规则（记住！！！）

情况操作原因
右子树不为空跳到右子树的最左结点中序规则：根 → 右子树，右子树第一个是最左
右子树为空向上找，直到当前结点是父亲的左孩子说明当前子树访问完了，要回到祖先

3.2 operator++ 的核心逻辑

情况操作示例
右子树不为空跳到右子树的最左结点it=18，右子树有 30，跳到 25（30的左子树最左）
右子树为空沿父节点向上找，直到当前结点是父节点的左孩子it=15（10的右），往上找，10 是 18 的
Self& operator++() {
    if (_node->_right) {
        // 右子树不空：找右子树最左
        Node* leftMost = _node->_right;
        while (leftMost->_left) leftMost = leftMost->_left;
        _node = leftMost;
    } else {
        // 右子树为空：找"孩子是父亲左"的那个祖先
        Node* cur = _node, *parent = cur->_parent;
        while (parent && cur == parent->_right) {
            cur = parent;
            parent = cur->_parent;
        }
        _node = parent;  // 可能是 nullptr（即 end）
    }
    return *this;
}

3.3 operator-- 的核心逻辑（与 ++ 对称表格

情况操作
*this == end()（_node == nullptr）特殊处理：跳到整棵树的最右结点
左子树不为空跳到左子树的最右结点
左子树为空沿父节点向上找，直到当前结点是父节点的右孩子

3.4 end() 的表示

  • 简化版：用 nullptr 表示 end()

  • STL 源码版：增加哨兵位头结点 header，header 的左指向最左结点，右指向最右结点，根的父亲指向 header，header 的父亲指向根

四、map 支持 operator[]

前提：insert 必须返回 pair<iterator, bool>（迭代器 + 是否插入成功）

V& operator[](const K& key) {
    pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
    // 如果 key 存在，返回对应迭代器的 value 引用
    // 如果 key 不存在，插入默认值后返回其 value 引用
    return ret.first->second;
}
  • map要支持 [ ] 主要修改 insert 返回值支持 ， 修改RBtree中 insert 返回值为 pair <Iterator , bool > Insert(const T&data)
  • 有了 insert 支持 [ ] 实现就很简单了 ， 具体参考如下代码：

RBTree.h

#pragma once
#include <utility>
#include <iostream>
using namespace std;

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)
	{}
};

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct RBTreeIterator
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;

	Node* _node;
	Node* _root;

	RBTreeIterator(Node* node, Node* root)
		:_node(node)
		,_root(root)
	{}

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)
		{
			// 右不为空，右子树最左结点就是中序第一个
			Node* leftMost = _node->_right;
			while (leftMost->_left)
			{
				leftMost = leftMost->_left;
			}
			_node = leftMost;
		}
		else
		{
			// 孩子是父亲左的那个祖先
			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) // end()
		{
			// --end(),特殊处理，走到中序最后一个结点，整棵树的最右结点
			Node* rightMost = _root;
			while (rightMost && rightMost->_right)
			{
				rightMost = rightMost->_right;
			}
			_node = rightMost;
		}
		else if (_node->_left)
		{
			// 左子树不为空，中序左子树最后一个
			Node* rightMost = _node->_left;
			while (rightMost->_right)
			{
				rightMost = rightMost->_right;
			}
			_node = rightMost;
		}
		else
		{
			// 孩子是父亲右的那个祖先
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_left)
			{
				cur = parent;
				parent = cur->_parent;
			}
			_node = parent;
		}

		return *this;
	}

	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

	bool operator!=(const Self& s) const
	{
		return _node != s._node;
	}

	bool operator==(const Self& s) const
	{
		return _node == s._node;
	}
};

template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
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);
	}

	ConstIterator Begin() const
	{
		Node* leftMost = _root;
		while (leftMost && leftMost->_left)
		{
			leftMost = leftMost->_left;
		}

		return ConstIterator(leftMost, _root);
	}

	ConstIterator End() const
	{
		return ConstIterator(nullptr, _root);
	}

	RBTree() = default;

	~RBTree()
	{
		Destroy(_root);
		_root = nullptr;
	}

	pair<Iterator, bool> Insert(const T& data)
	{
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK;
			return make_pair(Iterator(_root, _root), 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 make_pair(Iterator(cur, _root), false);
			}
		}

		cur = new Node(data);
		Node* newnode = cur;

		// 新增结点。颜色红色给红色
		cur->_col = RED;
		if (kot(parent->_data) < kot(data))
		{
			parent->_right = cur;
		}
		else
		{
			parent->_left = cur;
		}
		cur->_parent = parent;

		while (parent && parent->_col == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			// g
			// p u
			if (parent == grandfather->_left)
			{
				Node* uncle = grandfather->_right;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					// u存在且为红 -》变色再继续往上处理
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else
				{
					// u存在且为黑或不存在 -》旋转+变色
					if (cur == parent->_left)
					{
						// g
						// p u
						//c
						//单旋
						RotateR(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					else
					{
						// g
						// p u
						//    c
						//双旋
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfather);

						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
			else
			{
				// g
				// u p
				Node* uncle = grandfather->_left;
				// 叔叔存在且为红，-》变色即可
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					// 继续往上处理
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else // 叔叔不存在，或者存在且为黑
				{
					// 情况二: 叔叔不存在或者存在且为黑
					// 旋转+变色
					//    g
					// u p
					//    c
					if (cur == parent->_right)
					{
						RotateL(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					else
					{
						//    g
						// u p
						//  c
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}

		_root->_col = BLACK;
		return make_pair(Iterator(newnode, _root), true);
	}

	Iterator Find(const K& key)
	{
		KeyOfT kot;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (kot(cur->_data) < key)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			else if (kot(cur->_data) > key)
			{
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return Iterator(cur, _root);
			}
		}

		return End();
	}

private:
	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

		parent->_right = subRL;
		if (subRL)
			subRL->_parent = parent;

		Node* parentParent = parent->_parent;

		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;

		if (parentParent == nullptr)
		{
			_root = subR;
			subR->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (parent == parentParent->_left)
			{
				parentParent->_left = subR;
			}
			else
			{
				parentParent->_right = subR;
			}

			subR->_parent = parentParent;
		}
	}

	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;

		parent->_left = subLR;
		if (subLR)
			subLR->_parent = parent;

		Node* parentParent = parent->_parent;

		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;

		if (parentParent == nullptr)
		{
			_root = subL;
			subL->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (parent == parentParent->_left)
			{
				parentParent->_left = subL;
			}
			else
			{
				parentParent->_right = subL;
			}

			subL->_parent = parentParent;
		}
	}

	void Destroy(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return;

		Destroy(root->_left);
		Destroy(root->_right);
		delete root;
	}

private:
	Node* _root = nullptr;
};

MySet.h

#pragma once
#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;
	};

	void Print(const set<int>& s)
	{
		set<int>::const_iterator it = s.end();
		while (it != s.begin())
		{
			--it;
			// 不支持修改
			//*it += 2;

			cout << *it << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test_set()
	{
		set<int> s;
		int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
		for (auto e : a)
		{
			s.insert(e);
		}

		for (auto e : s)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		Print(s);
	}
}

MyMap.h

#pragma once
#include"RBTree.h"
#include <string>

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;
	};

	void test_map()
	{
		map<string, string> dict;
		dict.insert({ "sort", "排序" });
		dict.insert({ "left", "左边" });
		dict.insert({ "right", "右边" });

		dict["left"] = "左边,剩余";
		dict["insert"] = "插入";
		dict["string"];

		map<string, string>::iterator it = dict.begin();
		while (it != dict.end())
		{
			//不能修改first，可以修改second
			//it->first += 'x';
			it->second += 'x';

			cout << it->first << ":" << it->second << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

main 测试调用示例

#include"MySet.h"
#include"MyMap.h"
int main()
{
	bit::test_set();
	bit::test_map();
	return 0;
}

五、key 不可修改的设计

5.1 set：所有元素不可修改

// 第二个模板参数传 const K
RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
// 这样 iterator 的 Ref = const K&，解引用返回常量引用

5.2 map：key 不可改，value 可改

// pair 的第一个参数加 const
RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
// 这样 it->first 是 const，it->second 可以修改

知识点要点
泛型复用同一棵红黑树通过模板参数 T 的不同，同时支持 set 和 map
KeyOfT 仿函数解决 "不知道 T 是 K 还是 pair" 的比较问题，只提取 Key 比较
迭代器++/--基于中序遍历的局部逻辑，不看全局只看当前子树的下一个/上一个
const 设计通过模板参数控制：set 全 const，map 的 key 为 const
insert 返回值pair<iterator, bool> 是支持 operator[] 的基础
header 哨兵位STL 源码技巧，简化边界处理（最左/最右/end 的表示）
# c++ # 开发语言
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