手写 std::multimap

手写 std::multimap

在有序映射中保存一键多值，处理等价区间、稳定遍历和单条记录删除。

本系列代码使用 C++20 和 oc::handmade 命名空间，目标是解释实现机制、复杂度和工程边界，不是替代标准库。普通容器与缓存核心不内置互斥锁；这不代表 lock-free。

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一、学习目标

• 实现一键多值存储
• 返回连续等价区间
• 区分记录数量与不同键数量

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二、前置条件

完成 multiset 与 map 篇。

Linux/macOS：

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
cmake --build build -j
ctest --test-dir build --output-on-failure

Windows PowerShell：

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
cmake --build build --config Debug
ctest --test-dir build -C Debug --output-on-failure

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三、问题与设计选择

每个树节点保存同一键对应的值链表，迭代器先遍历节点内值，再前进到下一键。插入总会新增一条记录。

这里刻意保留一条边界：教学实现覆盖构造、复制移动、核心修改、查找和迭代契约，但不复刻标准库全部重载、ABI、constexpr、异构查找或节点句柄。

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四、内存布局与核心不变量

树节点键严格递增；每个节点至少有一个值；size 是所有值列表长度之和。

每个修改操作都按“准备资源 → 构造新状态 → 提交连接或指针 → 清理旧状态”的顺序设计。提交点之前发生异常，应保持原对象可继续使用；无法提供强保证时，会在接口说明中明确基本保证。

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五、核心实现

void insert(Key key, T value) {
    if (auto* entry = tree_.find(key)) {
        entry->values.push_back(std::move(value));
    } else {
        std::vector<T> values;
        values.push_back(std::move(value));
        tree_.insert(std::move(key), std::move(values));
    }
    ++size_;
}

上面先聚焦最容易写错的核心步骤；若本篇对应一个独立组件，下一节给出统一工程中的完整教学实现。代码没有放入 std 命名空间，避免未定义行为和名称冲突。

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六、完整教学实现

下面是统一工程中经过 GCC、Clang、GoogleTest 和 Sanitizer 验证的完整组件。它依赖前序文章已经实现的公共类型以及头文件中的标准库 #include。

namespace oc::handmade {

template<class Key, class T, class Compare = std::less<Key>>
class multimap {
    rb_tree<Key, std::vector<T>, Compare> tree_;
    std::size_t size_{};
public:
    void insert(Key key, T value) {
        if (auto* values = tree_.find(key)) values->push_back(std::move(value));
        else tree_.insert(std::move(key), std::vector<T>{std::move(value)});
        ++size_;
    }
    const std::vector<T>* find_all(const Key& key) const { return tree_.find(key); }
    std::size_t erase(const Key& key) {
        auto* values = tree_.find(key);
        if (!values) return 0;
        const auto removed = values->size();
        tree_.erase(key);
        size_ -= removed;
        return removed;
    }
    std::size_t size() const noexcept { return size_; }
};

}  // namespace oc::handmade

生产级标准库还要处理完整 allocator 传播、全部重载、ABI、调试迭代器和平台特化；这里保留的是能够独立推导核心数据结构的教学边界。

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七、使用示例与输出

预期输出或状态：

插入 (A,1)、(B,2)、(A,3) 后 A 的等价区间依次包含 1 和 3。

示例必须在文章对应的测试目标中实际编译。涉及顺序的输出只依赖接口明确承诺的顺序；无序容器不会把某次桶顺序写成稳定结果。

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八、复杂度与失效规则

操作	复杂度	说明
insert	O(log u)	总是新增
find	O(log u)	返回首个值
equal_range	O(log u + k)	k 个等价值
erase(key)	O(log u + k)	删除整组

复杂度中的 O(1) 若标记为“平均”或“摊还”，不能在面试中省略限定词。任何重新分配、节点删除、rehash 或缓存淘汰都必须单独说明迭代器、引用与指针是否失效。

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九、异常安全与资源管理

• 获取资源后立即交给 RAII 对象或明确记录已构造数量。
• 用户类型构造、复制、移动、比较器和哈希器都可能抛异常。
• 只有在所有后续步骤不会失败时才修改不可回滚的链接。
• 析构、释放和关闭路径不得抛异常。
• 并发包装通过回调在锁内访问，避免返回保护对象的裸引用。

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十、常见错误

1. find 返回哪一个等价元素没有写清

find 返回哪一个等价元素没有写清会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

2. 删除最后一个值后留下空树节点

删除最后一个值后留下空树节点会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

3. 把内部 vector 重分配误认为树迭代器完全稳定

把内部 vector 重分配误认为树迭代器完全稳定会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

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十一、面试追问

1. multimap 与 map<Key, vector<T>> 如何取舍？
2. 等价元素的相对顺序是否重要？
3. 如何删除等价区间中的一条记录？

回答时先说数据结构不变量，再给复杂度，最后说明异常、迭代器或并发边界，通常比背诵结论更有说服力。

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十二、练习与自测

1. 实现按迭代器删除
2. 将节点内 vector 改为链表
3. 实现按键批量访问视图

自测标准：能够不看代码画出内存或节点关系，解释一次成功操作和一次失败回滚，并写出至少一个会击穿错误实现的测试。

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十三、官方资料与延伸阅读

• C++20 工作草案 N4861
• C++ Core Guidelines

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