Microsoft STL中`std::collate_byname`哈希函数实现问题分析

在C++标准库的本地化支持中，std::collate类模板提供了字符串比较和哈希功能。最近在Microsoft STL实现中发现了一个关于std::collate_byname哈希函数的重要问题：它未能为排序相同的字符串生成相同的哈希值，这直接违反了C++标准的规定。

问题背景

std::collate是C++标准库中用于处理本地化字符串比较和哈希的类模板。它有两个主要派生实现：

1. std::collate：基础实现
2. std::collate_byname：基于特定区域设置的实现

根据C++标准要求，collate::do_hash()方法必须为所有排序相同的字符串返回相同的哈希值。然而，在Microsoft STL的实现中，collate_byname的哈希函数未能满足这一要求。

问题重现

考虑以下示例代码，它展示了这个问题：

#include <iostream>
#include <locale>

int main() {
    const std::locale loc("de_DE");
    auto& coll = std::use_facet<std::collate<wchar_t>>(loc);
    const wchar_t ex1[] = L"Straße";
    const wchar_t ex2[] = L"Strasse";
    
    std::cout << "排序相同: " 
              << (coll.compare(ex1, ex1 + std::size(ex1) - 1, 
                              ex2, ex2 + std::size(ex2) - 1) == 0) 
              << '\n';
    std::cout << "哈希相同: " 
              << (coll.hash(ex1, ex1 + std::size(ex1) - 1) == 
                  coll.hash(ex2, ex2 + std::size(ex2) - 1));
}

在德语区域设置("de_DE")下，"Straße"和"Strasse"被认为是排序相同的字符串（因为"ß"和"ss"被视为等价），但当前实现却为它们生成了不同的哈希值。

技术分析

标准要求

C++标准明确规定（[locale.collate.virtuals]/3）：

• collate<_Elem>::do_hash()必须为所有排序相同的字符串返回相同的哈希值
• 这是保证哈希表等数据结构正确工作的基础

当前实现问题

当前Microsoft STL中collate_byname的哈希实现直接对原始字符串进行哈希计算，而没有考虑区域特定的排序规则。这导致：

1. 对于需要考虑等价字符（如德语中的"ß"和"ss"）的区域设置，哈希结果不正确
2. 违反了标准规定的哈希一致性要求
3. 可能导致依赖此哈希功能的容器（如unordered_map）出现意外行为

解决方案建议

正确的实现应该：

1. 首先使用transform()方法将字符串转换为规范形式
2. 然后对转换后的结果进行哈希计算

伪代码表示：

size_t hash(const CharT* beg, const CharT* end) const {
    auto transformed = transform(beg, end);
    return std::hash(transformed);
}

另一种可能的优化是使用Windows API的LCMapString函数，但其LCMAP_HASH标志并不能保证完全符合标准要求，因此可能不是最佳选择。

影响范围

这个问题会影响：

1. 所有使用std::collate_byname哈希功能的代码
2. 特别是依赖哈希一致性的场景，如：
   • 基于哈希的容器（unordered_map/set）
   • 分布式系统中的一致性哈希
   • 缓存键生成

结论

Microsoft STL中std::collate_byname哈希函数的当前实现存在不符合标准的问题。正确的实现应该首先将字符串转换为规范形式，然后再计算哈希值，以确保排序相同的字符串总能获得相同的哈希值。这个问题已在最新版本中得到修复。

对于开发者来说，在使用本地化字符串哈希时应当注意这一行为，特别是在多语言环境下开发时，需要确保哈希函数的行为符合预期。