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第4章 C++ STL无序关联式容器总结 - 朴素贝叶斯 - 博客园


发布时间: 2022-11-24 18:21:05    浏览次数:32 次

除了序列式容器关联式容器之外,C++ 11 标准库又引入了一类容器,即无序关联式容器。 无序关联式容器,又称哈希容器

  • 和关联式容器一样,此类容器存储的也是键值对元素;不同之处在于,关联式容器默认情况下会对存储的元素做升序排序,而无序关联式容器不会。 
  • 和其它类容器相比,无序关联式容器擅长通过指定键查找对应的值,而遍历容器中存储元素的效率不如关联式容器

C++ STL无序容器(哈希容器)是什么?

C++ STL 底层采用哈希表实现无序容器时,会将所有数据存储到一整块连续的内存空间中,并且当数据存储位置发生冲突时,解决方法选用的是“链地址法”(又称“开链法”)

基于底层实现采用了不同的数据结构,因此和关联式容器相比,无序容器具有以下 2 个特点:

  • 无序容器内部存储的键值对是无序的各键值对的存储位置取决于该键值对中的键
  • 和关联式容器相比,无序容器擅长通过指定键查找对应的值(平均时间复杂度为 O(1))但对于使用迭代器遍历容器中存储的元素,无序容器的执行效率则不如关联式容器

和关联式容器一样,无序容器只是一类容器的统称,其包含有 4 个具体容器,分别为 unordered_mapunordered_multimapunordered_set 以及 unordered_multiset

表 1 无序容器种类
无序容器 功能
unordered_map  存储键值对 <key, value> 类型的元素,其中各个键值对键的值不允许重复,且该容器中存储的键值对是无序的
unordered_multimap 和 unordered_map 唯一的区别在于,该容器允许存储多个键相同的键值对
unordered_set 不再以键值对的形式存储数据,而是直接存储数据元素本身(当然也可以理解为,该容器存储的全部都是键 key 和值 value 相等的键值对,正因为它们相等,因此只存储 value 即可)。另外,该容器存储的元素不能重复,且容器内部存储的元素也是无序的。
unordered_multiset 和 unordered_set 唯一的区别在于,该容器允许存储值相同的元素。

C++ 11 标准的 STL 中,在已提供有 4 种关联式容器的基础上,又新增了各自的“unordered”版本(无序版本、哈希版本),提高了查找指定元素的效率

总的来说,实际场景中如果涉及大量遍历容器的操作,建议首选关联式容器;反之,如果更多的操作是通过键获取对应的值,则应首选无序容器

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;

int main()
{
    //创建并初始化一个 unordered_map 容器,其存储的 <string,string> 类型的键值对
    std::unordered_map<std::string, std::string> my_uMap{
            {"keras教程","python深度学习"},
            {"深度学习教程","动手学习深度学习"},
            {"Java教程","廖雪峰java教程"} };
    //查找指定键对应的值,效率比关联式容器高
    string str = my_uMap.at("keras教程");
    cout << "str = " << str << endl;

    //使用迭代器遍历哈希容器,效率不如关联式容器
    for (auto iter = my_uMap.begin(); iter != my_uMap.end(); ++iter)
    {
        //pair 类型键值对分为 2 部分
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}

深度剖析C++无序容器的底层实现机制

C++ STL 标准库中,不仅是 unordered_map 容器,所有无序容器的底层实现都采用的是哈希表存储结构。更准确地说,是用“链地址法”(又称“开链法”)解决数据存储位置发生冲突的哈希表,整个存储结构如图 1 所示。

 其中,$P_i$ 表示存储的各个键值对

可以看到,当使用无序容器存储键值对时,会先申请一整块连续的存储空间,但此空间并不用来直接存储键值对,而是存储各个链表的头指针,各键值对真正的存储位置是各个链表的节点。注意,STL 标准库通常选用 vector 容器存储各个链表的头指针

在 C++ STL 标准库中,将图 1 中的各个链表称为桶(bucket),每个桶都有自己的编号(从 0 开始)。当有新键值对存储到无序容器中时,整个存储过程分为如下几步:

  • 将该键值对中键的值带入设计好的哈希函数,会得到一个哈希值(一个整数,用 H 表示)
  • 将 H 和无序容器拥有桶的数量 n 做整除运算(即 H % n),该结果即表示应将此键值对存储到的桶的编号
  • 建立一个新节点存储此键值对,同时将该节点链接到相应编号的桶上

另外值得一提的是,哈希表存储结构还有一个重要的属性,称为负载因子(load factor)。该属性同样适用于无序容器,用于衡量容器存储键值对的空/满程度,即

  • 负载因子越大,意味着容器越满,即各链表中挂载着越多的键值对,这无疑会降低容器查找目标键值对的效率
  • 反之,负载因子越小,容器肯定越空,但并不一定各个链表中挂载的键值对就越少。举个例子,如果设计的哈希函数不合理,使得各个键值对的键带入该函数得到的哈希值始终相同(所有键值对始终存储在同一链表上)。这种情况下,即便增加桶数使得负载因子减小,该容器的查找效率依旧很差。

无序容器中,负载因子的计算方法为:

负载因子 = 容器存储的总键值对 / 桶数

默认情况下,无序容器的最大负载因子为 1.0。如果操作无序容器过程中,使得最大负载因子超过了默认值,则容器会自动增加桶数,并重新进行哈希,以此来减小负载因子的值。需要注意的是,此过程会导致容器迭代器失效,但指向单个键值对的引用或者指针仍然有效。这也就解释了,为什么我们在操作无序容器过程中,键值对的存储顺序有时会“莫名”的发生变动。

C++ STL 标准库为了方便用户更好地管控无序容器底层使用的哈希表存储结构,各个无序容器的模板类中都提供表 2 所示的成员方法。

表 2 无序容器管理哈希表的成员方法
成员方法 功能
bucket_count() 返回当前容器底层存储键值对时,使用桶的数量
max_bucket_count() 返回当前系统中,unordered_map 容器底层最多可以使用多少个桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储键值对的数量。
bucket(key) 返回以 key 为键的键值对所在桶的编号。
load_factor() 返回 unordered_map 容器中当前的负载因子。
max_load_factor() 返回或者设置当前 unordered_map 容器的最大负载因子。
rehash(n) 尝试重新调整桶的数量为等于或大于 n 的值。如果 n 大于当前容器使用的桶数,则该方法会是容器重新哈希,该容器新的桶数将等于或大于 n。反之,如果 n 的值小于当前容器使用的桶数,则调用此方法可能没有任何作用。
reserve(n) 将容器使用的桶数(bucket_count() 方法的返回值)设置为最适合存储 n 个元素的桶数。
hash_function() 返回当前容器使用的哈希函数对象。
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建空 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;

    cout << "umap 初始桶数: " << umap.bucket_count() << endl;
    cout << "umap 初始负载因子: " << umap.load_factor() << endl;
    cout << "umap 最大负载因子: " << umap.max_load_factor() << endl;

    //设置 umap 使用最适合存储 9 个键值对的桶数
    umap.reserve(9);
    cout << "*********************" << endl;
    cout << "umap 新桶数: " << umap.bucket_count() << endl;
    cout << "umap 新负载因子: " << umap.load_factor() << endl;
    //向 umap 容器添加 3 个键值对
    umap["Python教程"] = "111";
    umap["Java教程"] = "222";
    umap["Linux教程"] = "333";
    //调用 bucket() 获取指定键值对位于桶的编号
    cout << "以\"Python教程\"为键的键值对,位于桶的编号为:" << umap.bucket("Python教程") << endl;
    //自行计算某键值对位于哪个桶
    auto fn = umap.hash_function();
    cout << "计算以\"Python教程\"为键的键值对,位于桶的编号为:" << fn("Python教程") % (umap.bucket_count()) << endl;
    return 0;
}
  • 在clion win64+mingw64下的执行结果为:

  • 在win64 +vs2022 64位编译下,结果为:

 

C++ STL unordered_map容器用法详解

unordered_map 容器和 map 容器一样,以键值对(pair类型)的形式存储数据,存储的各个键值对的键互不相同且不允许被修改。但由于 unordered_map 容器底层采用的是哈希表存储结构,该结构本身不具有对数据的排序功能,所以此容器内部不会自行对存储的键值对进行排序。 

unordered_map 容器在<unordered_map>头文件中,并位于 std 命名空间中。因此,如果想使用该容器,代码中应包含如下语句:

#include <unordered_map>
using namespace std;

unordered_map 容器模板的定义如下所示:

template < class Key,                        //键值对中键的类型
           class T,                          //键值对中值的类型
           class Hash = hash<Key>,           //容器内部存储键值对所用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,       //判断各个键值对键相同的规则
           class Alloc = allocator< pair<const Key,T> >  // 指定分配器对象的类型
           > class unordered_map;

以上 5 个参数中,必须显式给前 2 个参数传值,并且除特殊情况外,最多只需要使用前 4 个参数,各自的含义和功能如表 1 所示。 

表 1 unordered_map 容器模板类的常用参数
参数 含义
<key,T> 前 2 个参数分别用于确定键值对中键和值的类型,也就是存储键值对的类型。
Hash = hash<Key> 用于指明容器在存储各个键值对时要使用的哈希函数,默认使用 STL 标准库提供的 hash<key> 哈希函数。注意,默认哈希函数只适用于基本数据类型(包括 string 类型),而不适用于自定义的结构体或者类
Pred = equal_to<Key> 要知道,unordered_map 容器中存储的各个键值对的键是不能相等的,而判断是否相等的规则,就由此参数指定。默认情况下,使用 STL 标准库中提供的 equal_to<key> 规则,该规则仅支持可直接用 == 运算符做比较的数据类型

总的来说,当无序容器中存储键值对的键为自定义类型时,默认的哈希函数 hash 以及比较函数 equal_to 将不再适用,只能自己设计适用该类型的哈希函数和比较函数,并显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数。  

创建C++ unordered_map容器的方法  

  • 通过调用 unordered_map 模板类的默认构造函数,可以创建空的 unordered_map 容器。比如:
std::unordered_map<std::string, std::string> umap;
  • 当然,在创建 unordered_map 容器的同时,可以完成初始化操作。比如(个人:这是是列表初始化):
std::unordered_map<std::string, std::string> umap{
            {"keras教程","python深度学习"},
            {"深度学习教程","动手学习深度学习"},
            {"Java教程","廖雪峰java教程"} };
  • 另外,还可以调用 unordered_map 模板中提供的复制(拷贝)构造函数,将现有 unordered_map 容器中存储的键值对,复制给新建 unordered_map 容器。  
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(umap);
  • 除此之外,C++ 11 标准中还向 unordered_map 模板类增加了移动构造函数,即以右值引用的方式临时 unordered_map 容器中存储的所有键值对,全部复制给新建容器。例如:  
//返回临时 unordered_map 容器的函数
std::unordered_map <std::string, std::string > retUmap(){
    std::unordered_map<std::string, std::string>tempUmap{
            {"keras教程","python深度学习"},
            {"深度学习教程","动手学习深度学习"},
            {"Java教程","廖雪峰java教程"} };
    return tempUmap;
}
//调用移动构造函数,创建 umap2 容器
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(retUmap());

注意,无论是调用复制构造函数还是拷贝构造函数,必须保证 2 个容器的类型完全相同。  

  • 当然,如果不想全部拷贝,可以使用 unordered_map 类模板提供的迭代器,在现有 unordered_map 容器中选择部分区域内的键值对,为新建 unordered_map 容器初始化。例如:  
//传入 2 个迭代器,
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(++umap.begin(),umap.end());

通过此方式创建的 umap2 容器,其内部就包含 umap 容器中除第 1 个键值对外的所有其它键值对。

unordered_map容器的成员方法  

unordered_map 既可以看做是关联式容器,更属于自成一脉的无序容器。因此在该容器模板类中,既包含一些在学习关联式容器时常见的成员方法,还有一些属于无序容器特有的成员方法。

表 2 unordered_map类模板成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个键值对的正向迭代器。
end()  返回指向容器中最后一个键值对之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过在其基础上增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
cend() 和 end() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
empty() 若容器为空,则返回 true;否则 false。
size() 返回当前容器中存有键值对的个数。
max_size() 返回容器所能容纳键值对的最大个数,不同的操作系统,其返回值亦不相同。
operator[key] 该模板类中重载了 [] 运算符,其功能是可以像访问数组中元素那样,只要给定某个键值对的键 key,就可以获取该键对应的值。注意,如果当前容器中没有以 key 为键的键值对,则其会使用该键向当前容器中插入一个新键值对
at(key) 返回容器中存储的键 key 对应的值,如果 key 不存在,则会抛出 out_of_range 异常。 
find(key) 查找以 key 为键的键值对,如果找到,则返回一个指向该键值对的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个键值对之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)。
count(key) 在容器中查找以 key 键的键值对的个数。
equal_range(key) 返回一个 pair 对象,其包含 2 个迭代器,用于表明当前容器中键为 key 的键值对所在的范围
emplace() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高
emplace_hint() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高。
insert()  向容器中添加新键值对。
erase() 删除指定键值对。
clear()  清空容器,即删除容器中存储的所有键值对。
swap() 交换 2 个 unordered_map 容器存储的键值对,前提是必须保证这 2 个容器的类型完全相等
bucket_count() 返回当前容器底层存储键值对时,使用桶(一个线性链表代表一个桶)的数量
max_bucket_count() 返回当前系统中,unordered_map 容器底层最多可以使用多少桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储键值对的数量。
bucket(key) 返回以 key 为键的键值对所在桶的编号。
load_factor() 返回 unordered_map 容器中当前的负载因子。负载因子,指的是的当前容器中存储键值对的数量(size())和使用桶数(bucket_count())的比值,即 load_factor() = size() / bucket_count()
max_load_factor() 返回或者设置当前 unordered_map 容器的负载因子。
rehash(n) 将当前容器底层使用桶的数量设置为 n。
reserve(n) 将存储桶的数量(也就是 bucket_count() 方法的返回值)设置为至少容纳n个元素(不超过最大负载因子)所需的数量,并重新整理容器。
hash_function() 返回当前容器使用的哈希函数对象。

注意,对于实现互换 2 个相同类型 unordered_map 容器的键值对,除了可以调用该容器模板类中提供的 swap() 成员方法外,STL 标准库还提供了同名的 swap() 非成员函数

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建空 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    //向 umap 容器添加新键值对
    umap.emplace("keras教程","python深度学习");
    umap.emplace("深度学习教程","动手学习深度学习");
    umap.emplace("Java教程","廖雪峰java教程");

    //输出 umap 存储键值对的数量
    cout << "umap size = " << umap.size() << endl;
    //使用迭代器输出 umap 容器存储的所有键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}

更详细的使用的方法说明可以查询C++ STL标准库手册 。

unordered_map迭代器的用法

C++ STL 标准库中,unordered_map 容器迭代器的类型为前向迭代器(又称正向迭代器)。这意味着,假设 p 是一个前向迭代器,则其只能进行 *p、p++、++p 操作,且 2 个前向迭代器之间只能用 == 和 != 运算符做比较

表 1 C++ unordered_map迭代器相关成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个键值对的正向迭代器。
end()  返回指向容器中最后一个键值对之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过在其基础上增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
cend() 和 end() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
find(key) 查找以 key 为键的键值对,如果找到,则返回一个指向该键值对的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个键值对之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)
equal_range(key) 返回一个 pair 对象,其包含 2 个迭代器,用于表明当前容器中键为 key 的键值对所在的范围

值得一提的是,equal_range(key) 很少用于 unordered_map 容器,因为该容器中存储的都是键不相等的键值对,即便调用该成员方法,得到的 2 个迭代器所表示的范围中,最多只包含 1 个键值对。事实上,该成员方法更适用于 unordered_multimap 容器。 

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"Python教程","111"},
            {"Java教程","222"},
            {"Linux教程","333"} };

    cout << "umap 存储的键值对包括:" << endl;
    //遍历输出 umap 容器中所有的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << "<" << iter->first << ", " << iter->second << ">" << endl;
    }
    //获取指向指定键值对的前向迭代器
    unordered_map<string, string>::iterator iter = umap.find("Java教程");
    cout <<"umap.find(\"Java教程\") = " << "<" << iter->first << ", " << iter->second << ">" << endl;
    return 0;
}

需要注意的是,在操作 unordered_map 容器过程(尤其是向容器中添加新键值对)中,一旦当前容器的负载因子超过最大负载因子(默认值为 1.0),该容器就会适当增加桶的数量(通常是翻一倍),并自动执行 rehash() 成员方法,重新调整各个键值对的存储位置(此过程又称“重哈希”),此过程很可能导致之前创建的迭代器失效。所谓迭代器失效,针对的是那些用于表示容器内某个范围的迭代器,由于重哈希会重新调整每个键值对的存储位置,所以容器重哈希之后,之前表示特定范围的迭代器很可能无法再正确表示该范围。但是,重哈希并不会影响那些指向单个键值对元素的迭代器

#include <iostream>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<int, int> umap;
    //向 umap 容器添加 50 个键值对
    for (int i = 1; i <= 50; i++) {
        umap.emplace(i, i);
    }
    //获取键为 49 的键值对所在的范围
    auto pair = umap.equal_range(20);
    //输出 pair 范围内的每个键值对的键的值
    for (auto iter = pair.first; iter != pair.second; ++iter) {
        cout << iter->first <<" ";
    }
    cout << endl;
    //手动调整最大负载因子数
    umap.max_load_factor(3.0);
    //手动调用 rehash() 函数重哈希
    umap.rehash(20);
    //重哈希之后,pair 的范围可能会发生变化
    for (auto iter = pair.first; iter != pair.second; ++iter) {
        cout << iter->first << " ";
    }
    return 0;
}

经测试,用于遍历整个容器的 begin()/end() 和 cbegin()/cend() 迭代器对,重哈希只会影响遍历容器内键值对的顺序,整个遍历的操作仍然可以顺利完成。

unordered_map获取元素的4种方法

  • unordered_map 容器类模板中,实现了对 [ ] 运算符的重载,使得我们可以像“利用下标访问普通数组中元素”那样,通过目标键值对的键获取到该键对应的值。
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"Python教程","111"},
            {"Java教程","222"},
            {"Linux教程","333"} };
    //获取 "Java教程" 对应的值
    string str = umap["Java教程"];
    cout << str << endl;
    return 0;
}

需要注意的是,如果当前容器中并没有存储以 [ ] 运算符内指定的元素作为键的键值对,则此时 [ ] 运算符的功能将转变为:向当前容器中添加以目标元素为键的键值对。当使用 [ ] 运算符向 unordered_map 容器中添加键值对时,分为 2 种情况: 

    • 当 [ ] 运算符位于赋值号(=)右侧时,则新添加键值对的键为 [ ] 运算符内的元素,其值为键值对要求的值类型的默认值(string 类型默认值为空字符串);
    • 当 [ ] 运算符位于赋值号(=)左侧时,则新添加键值对的键为 [ ] 运算符内的元素,其值为赋值号右侧的元素。
  • unordered_map 类模板中,还提供有 at() 成员方法,和使用 [ ] 运算符一样,at() 成员方法也需要根据指定的键,才能从容器中找到该键对应的值;不同之处在于,如果在当前容器中查找失败,该方法不会向容器中添加新的键值对,而是直接抛出out_of_range异常。  
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"Python教程","111"},
            {"Java教程","222"},
            {"Linux教程","333"} };
    //获取指定键对应的值
    string str = umap.at("Python教程");
    cout << str << endl;

    //执行此语句会抛出 out_of_range 异常
    //cout << umap.at("GO教程");
    return 0;
}

  •  [ ] 运算符和 at() 成员方法基本能满足大多数场景的需要。除此之外,还可以借助 unordered_map 模板中提供的 find() 成员方法。  和前面方法不同的是,通过 find() 方法得到的是一个正向迭代器,该迭代器的指向分以下 2 种情况: 
    • 当 find() 方法成功找到以指定元素作为键的键值对时,其返回的迭代器就指向该键值对;
    • 当 find() 方法查找失败时,其返回的迭代器和 end() 方法返回的迭代器一样,指向容器中最后一个键值对之后的位置。
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"Python教程","111"},
            {"Java教程","222"},
            {"Linux教程","333"} };
    //查找成功
    unordered_map<string, string>::iterator iter = umap.find("Python教程");
    cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    //查找失败
    unordered_map<string, string>::iterator iter2 = umap.find("GO教程");
    if (iter2 == umap.end()) {
        cout << "当前容器中没有以\"GO教程\"为键的键值对";
    }
    return 0;
}

  • 除了 find() 成员方法之外,甚至可以借助 begin()/end() 或者 cbegin()/cend(),通过遍历整个容器中的键值对来找到目标键值对。
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"Python教程","111"},
            {"Java教程","222"},
            {"Linux教程","333"} };
    //遍历整个容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        //判断当前的键值对是否就是要找的
        if (!iter->first.compare("Java教程")) {
            cout << iter->second << endl;
            break;
        }
    }
    return 0;
}

以上 4 种方法中,前 2 种方法基本能满足多数场景的需要,建议初学者首选 at() 成员方法! 

unordered_map insert()用法

unordered_map 模板类中,提供了多种语法格式的 insert() 方法,根据功能的不同,可划分为以下几种用法。

  • insert() 方法可以将 pair 类型的键值对元素添加到 unordered_map 容器中,其语法格式有 2 种:  
//以普通方式传递参数
pair<iterator,bool> insert ( const P& val );
//以右值引用的方式传递参数
template <class P>
    pair<iterator,bool> insert ( P&& val );

以上 2 种格式中,参数 val 表示要添加到容器中的目标键值对元素;该方法的返回值为 pair类型值,内部包含一个 iterator 迭代器和 bool 变量:  

    • 当 insert() 将 val 成功添加到容器中时,返回的迭代器指向新添加的键值对,bool 值为 True
    • 当 insert() 添加键值对失败时,意味着当前容器中本就存储有和要添加键值对的键相等的键值对,这种情况下,返回的迭代器将指向这个导致插入操作失败的迭代器,bool 值为 False。  
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建空 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    //构建要添加的键值对
    std::pair<string, string>mypair("STL教程", "111");
    //创建接收 insert() 方法返回值的pair类型变量
    std::pair<unordered_map<string, string>::iterator, bool> ret;
    //调用 insert() 方法的第一种语法格式
    ret = umap.insert(mypair);
    cout << "bool = " << ret.second << endl;
    cout << "iter -> " << ret.first->first <<" " << ret.first->second << endl;

    //调用 insert() 方法的第二种语法格式
    ret = umap.insert(std::make_pair("Python教程","222"));
    cout << "bool = " << ret.second << endl;
    cout << "iter -> " << ret.first->first << " " << ret.first->second << endl;
    return 0;
}

  •  除此之外,insert() 方法还可以指定新键值对要添加到容器中的位置,其语法格式如下: 
template <class P>
//以普通方式传递 val 参数
iterator insert ( const_iterator hint, P& val );
//以右值引用方法传递 val 参数

    iterator insert ( const_iterator hint, P&& val );

以上 2 种语法格式中,hint 参数为迭代器,用于指定新键值对要添加到容器中的位置;val 参数指的是要添加容器中的键值对;方法的返回值为迭代器: 

    • 如果 insert() 方法成功添加键值对,该迭代器指向新添加的键值对
    • 如果 insert() 方法添加键值对失败,则表示容器中本就包含有相同键的键值对,该方法返回的迭代器就指向容器中键相同的键值对

注意,以上 2 种语法格式中,虽然通过 hint 参数指定了新键值对添加到容器中的位置,但该键值对真正存储的位置,并不是 hint 参数说了算,最终的存储位置仍取决于该键值对的键的值。  

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建空 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    //构建要添加的键值对
    std::pair<string, string>mypair("STL教程", "111");
    //创建接收 insert() 方法返回值的迭代器类型变量
    unordered_map<string, string>::iterator iter;
    //调用第一种语法格式
    iter = umap.insert(umap.begin(), mypair);
    cout << "iter -> " << iter->first <<" " << iter->second << endl;

    //调用第二种语法格式
    iter = umap.insert(umap.begin(),std::make_pair("Python教程", "222"));
    cout << "iter -> " << iter->first << " " << iter->second << endl;
    return 0;
}

  • insert() 方法还支持将某一个 unordered_map 容器中指定区域内的所有键值对,复制到另一个 unordered_map 容器中,其语法格式如下: 
template <class InputIterator>
    void insert ( InputIterator first, InputIterator last );

其中 first 和 last 都为迭代器,[first, last)表示复制其它 unordered_map 容器中键值对的区域。  

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建并初始化 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{ {"STL教程","111"},
                                        {"Python教程","222"},
                                        {"Java教程","333"} };
    //创建一个空的 unordered_map 容器
    unordered_map<string, string> otherumap;
    //指定要拷贝 umap 容器中键值对的范围
    unordered_map<string, string>::iterator first = ++umap.begin();
    unordered_map<string, string>::iterator last = umap.end();
    //将指定 umap 容器中 [first,last) 区域内的键值对复制给 otherumap 容器
    otherumap.insert(first, last);
    //遍历 otherumap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = otherumap.begin(); iter != otherumap.end(); ++iter){
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}
C:\Users\guoyo\CLionProjects\cpp-exercise\cmake-build-debug\cpp_exercise.exe
STL教程 111
Python教程 222

进程已结束,退出代码0
  • 除了以上 3 种方式,insert() 方法还支持一次向 unordered_map 容器添加多个键值对,其语法格式如下:
void insert ( initializer_list<value_type> il );

其中,il 参数指的是可以用初始化列表的形式指定多个键值对元素。  

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建空的 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;

    //向 umap 容器同时添加多个键值对
    umap.insert({ {"STL教程","111"},
                  {"Python教程","222"},
                  {"Java教程","333"} });
    //遍历输出 umap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter){
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}

 unordered_map emplace()和emplace_hint()方法

和前面学的 map、set 等容器一样,C++ 11 标准也为 unordered_map 容器新增了 emplace() 和 emplace_hint() 成员方法使用 emplace() 或者 emplace_hint() 方法,它们完成“向容器中添加新键值对”的效率,要比 insert() 方法高

emplace() 方法的用法很简单,其语法格式如下:

template <class... Args>
    pair<iterator, bool> emplace ( Args&&... args );

其中,参数 args 表示可直接向该方法传递创建新键值对所需要的 2 个元素的值,其中第一个元素将作为键值对的键,另一个作为键值对的值。也就是说,该方法无需我们手动创建键值对,其内部会自行完成此工作。  

另外需要注意的是,该方法的返回值为 pair 类型值,其包含一个迭代器和一个 bool 类型值: 

  • 当 emplace() 成功添加新键值对时,返回的迭代器指向新添加的键值对,bool 值为 True
  • 当 emplace() 添加新键值对失败时,说明容器中本就包含一个键相等的键值对,此时返回的迭代器指向的就是容器中键相同的这个键值对,bool 值为 False。  
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    pair<unordered_map<string, string>::iterator, bool> ret;
    //调用 emplace() 方法
    ret = umap.emplace("STL教程", "111");
    //输出 ret 中包含的 2 个元素的值
    cout << "bool =" << ret.second << endl;
    cout << "iter ->" << ret.first->first << " " << ret.first->second << endl;
    return 0;
}

emplace_hint() 方法的语法格式如下:

template <class... Args>
    iterator emplace_hint ( const_iterator position, Args&&... args );

和 emplace() 方法相同,emplace_hint() 方法内部会自行构造新键值对,因此我们只需向其传递构建该键值对所需的 2 个元素(第一个作为键,另一个作为值)即可。不同之处在于: 

  • emplace_hint() 方法的返回值仅是一个迭代器,而不再是 pair 类型变量。当该方法将新键值对成功添加到容器中时,返回的迭代器指向新添加的键值对;反之,如果添加失败,该迭代器指向的是容器中和要添加键值对键相同的那个键值对。
  • emplace_hint() 方法还需要传递一个迭代器作为第一个参数,该迭代器表明将新键值对添加到容器中的位置。需要注意的是,新键值对添加到容器中的位置,并不是此迭代器说了算,最终仍取决于该键值对的键的值。 可以这样理解,emplace_hint() 方法中传入的迭代器,仅是给 unordered_map 容器提供一个建议,并不一定会被容器采纳。  
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    unordered_map<string,string>::iterator iter;
    //调用 empalce_hint() 方法
    iter = umap.emplace_hint(umap.begin(),"STL教程", "111");
    //输出 emplace_hint() 返回迭代器 iter 指向的键值对的内容
    cout << "iter ->" << iter->first << " " << iter->second << endl;
    return 0;
}

unordered_map删除元素:erase()和clear()

C++ STL 标准库为了方便用户可以随时删除 unordered_map 容器中存储的键值对,unordered_map 容器类模板中提供了以下 2 个成员方法:

  • erase():删除 unordered_map 容器中指定的键值对;
  • clear():删除 unordered_map 容器中所有的键值对,即清空容器。

unordered_map erase()方法: 

为了满足不同场景删除 unordered_map 容器中键值对的需要,此容器的类模板中提供了 3 种语法格式的 erase() 方法。 

  • erase() 方法可以接受一个正向迭代器,并删除该迭代器指向的键值对。该方法的语法格式如下:
iterator erase ( const_iterator position );

其中 position 为指向容器中某个键值对的迭代器,该方法会返回一个指向被删除键值对之后位置的迭代器。  

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"STL教程", "111"},
            {"Python教程", "222"},
            {"Java教程", "333"} };
    //输出 umap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }

    cout << "erase:" << endl;
    unordered_map<string,string>::iterator ret;
    //删除容器中第一个键值对
    ret = umap.erase(umap.begin());
    //输出 umap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    cout << "ret = " << ret->first << " " << ret->second << endl;
    return 0;
}

  • 我们还可以直接将要删除键值对的键作为参数直接传给 erase() 方法,该方法会自行去 unordered_map 容器中找和给定键相同的键值对,将其删除。erase() 方法的语法格式如下:
size_type erase ( const key_type& k );

其中,k 表示目标键值对的键的值;该方法会返回一个整数,其表示成功删除的键值对的数量。  

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"STL教程", "111"},
            {"Python教程", "222"},
            {"Java教程", "333"} };
    //输出 umap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    int delNum = umap.erase("Python教程");
    cout << "delNum = " << delNum << endl;
    //再次输出 umap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}

  •  除了支持删除 unordered_map 容器中指定的某个键值对,erase() 方法还支持一次删除指定范围内的所有键值对,其语法格式如下:
iterator erase ( const_iterator first, const_iterator last );

其中 first 和 last 都是正向迭代器,[first, last) 范围内的所有键值对都会被 erase() 方法删除;同时,该方法会返回一个指向被删除的最后一个键值对之后一个位置的迭代器。  

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"STL教程", "111"},
            {"Python教程", "222"},
            {"Java教程", "333"} };
    //first 指向第一个键值对
    unordered_map<string, string>::iterator first = umap.begin();
    //last 指向最后一个键值对
    unordered_map<string, string>::iterator last = first;
    last++;
    last++;
    //删除[fist,last)范围内的键值对
    auto ret = umap.erase(first, last);
    //输出 umap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    cout << "ret -> " << ret->first << " " << ret->second << endl;
    return 0;
}

unordered_map clear()方法

在个别场景中,可能需要一次性删除 unordered_map 容器中存储的所有键值对,可以使用 clear() 方法,其语法格式如下:

void clear()
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
            {"STL教程", "111"},
            {"Python教程", "222"},
            {"Java教程", "333"} };
    //输出 umap 容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    //删除容器内所有键值对
    umap.clear();
    cout << "umap size = " << umap.size() << endl;
    return 0;
}

C++ STL unordered_multimap容器

和 unordered_map 容器一样,unordered_multimap 容器也以键值对的形式存储数据,且底层也采用哈希表结构存储各个键值对。两者唯一的不同之处在于,unordered_multimap 容器可以存储多个键相等的键值对,而 unordered_map 容器不行。无序容器中存储的各个键值对,都会哈希存到各个桶(本质为链表)中。而对于 unordered_multimap 容器来说,其存储的所有键值对中,键相等的键值对会被哈希到同一个桶中存储。 

另外值得一提得是,STL 标准库中实现 unordered_multimap 容器的模板类并没有定义在以自己名称命名的头文件中,而是和 unordered_map 容器一样,定义在<unordered_map>头文件,且位于 std 命名空间中。因此,在使用 unordered_multimap 容器之前,程序中应包含如下 2 行代码: 

#include <unordered_map>
using namespace std;

unordered_multimap 容器模板的定义如下所示:

template < class Key,      //键(key)的类型
           class T,        //值(value)的类型
           class Hash = hash<Key>,  //底层存储键值对时采用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,  //判断各个键值对的键相等的规则
           class Alloc = allocator< pair<const Key,T> > // 指定分配器对象的类型
           > class unordered_multimap;

以上 5 个参数中,必须显式给前 2 个参数传值,且除极个别的情况外,最多只使用前 4 个参数,它们各自的含义和功能如表 1 所示。

表 1 unordered_multimap 容器模板类的常用参数
参数 含义
<key,T> 前 2 个参数分别用于确定键值对中键和值的类型,也就是存储键值对的类型。
Hash = hash<Key> 用于指明容器在存储各个键值对时要使用的哈希函数,默认使用 STL 标准库提供的 hash<key> 哈希函数。注意,默认哈希函数只适用于基本数据类型(包括 string 类型),而不适用于自定义的结构体或者类。
Pred = equal_to<Key> unordered_multimap 容器可以存储多个键相等的键值对,而判断是否相等的规则,由此参数指定。默认情况下,使用 STL 标准库中提供的 equal_to<key> 规则,该规则仅支持可直接用 == 运算符做比较的数据类型

注意,当 unordered_multimap 容器中存储键值对的键为自定义类型时,默认的哈希函数 hash<key> 以及比较函数 equal_to<key> 将不再适用,这种情况下,需要我们自定义适用的哈希函数和比较函数,并分别显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数

创建C++ unordered_multimap容器的方法:  

  • 利用 unordered_multimap 容器类模板中的默认构造函数,可以创建空的 unordered_multimap 容器。比如:
std::unordered_multimap<std::string, std::string>myummap;
  • 当然,在创建空 unordered_multimap 容器的基础上,可以完成初始化操作。比如:  
unordered_multimap<string, string>myummap{
    {"Python教程","111"},
    {"Java教程","222"},
    {"Linux教程","333"} };
  • 另外,unordered_multimap 模板中还提供有复制(拷贝)构造函数,可以实现在创建 unordered_multimap 容器的基础上,用另一 unordered_multimap 容器中的键值对为其初始化。  
unordered_multimap<string, string>myummap2(myummap);

除此之外,C++ 11 标准中还向 unordered_multimap 模板类增加了移动构造函数,即以右值引用的方式将临时 unordered_multimap 容器中存储的所有键值对,全部复制给新建容器。例如:  

//返回临时 unordered_multimap 容器的函数
std::unordered_multimap <std::string, std::string > retUmmap() {
    std::unordered_multimap<std::string, std::string>tempummap{
        {"Python教程","111"},
        {"Java教程","222"},
        {"Linux教程","333"} };
    return tempummap;
}
//创建并初始化 myummap 容器
std::unordered_multimap<std::string, std::string> myummap(retummap());

注意,无论是调用复制构造函数还是移动构造函数,必须保证 2 个容器的类型完全相同。  

  • 当然,如果不想全部拷贝,可以使用 unordered_multimap 类模板提供的迭代器,在现有 unordered_multimap 容器中选择部分区域内的键值对,为新建 unordered_multimap 容器初始化。例如:
//传入 2 个迭代器,
std::unordered_multimap<std::string, std::string> myummap2(++myummap.begin(), myummap.end());

C++ unordered_multimap容器的成员方法:  

和 unordered_map 容器相比,unordered_multimap 容器的类模板中没有重载 [ ] 运算符,也没有提供 at() 成员方法,除此之外它们完全一致。  没有提供 [ ] 运算符和 at() 成员方法,意味着 unordered_multimap 容器无法通过指定键获取该键对应的值,因为该容器允许存储多个键相等的键值对,每个指定的键可能对应多个不同的值。  unordered_multimap 类模板提供的成员方法如表 2 所示。  

表 2 unordered_multimap类模板成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个键值对的正向迭代器。
end()  返回指向容器中最后一个键值对之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过在其基础上增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
cend() 和 end() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
empty() 若容器为空,则返回 true;否则 false。
size() 返回当前容器中存有键值对的个数。
max_size() 返回容器所能容纳键值对的最大个数,不同的操作系统,其返回值亦不相同。
find(key) 查找以 key 为键的键值对,如果找到,则返回一个指向该键值对的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个键值对之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)。
count(key) 在容器中查找以 key 键的键值对的个数。
equal_range(key) 返回一个 pair 对象,其包含 2 个迭代器,用于表明当前容器中键为 key 的键值对所在的范围。
emplace() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高。
emplace_hint() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高。
insert()  向容器中添加新键值对。
erase() 删除指定键值对。
clear()  清空容器,即删除容器中存储的所有键值对。
swap() 交换 2 个 unordered_multimap 容器存储的键值对,前提是必须保证这 2 个容器的类型完全相等。
bucket_count() 返回当前容器底层存储键值对时,使用桶(一个线性链表代表一个桶)的数量。
max_bucket_count() 返回当前系统中,unordered_multimap 容器底层最多可以使用多少桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储键值对的数量。
bucket(key) 返回以 key 为键的键值对所在桶的编号。
load_factor() 返回 unordered_multimap 容器中当前的负载因子。负载因子,指的是的当前容器中存储键值对的数量(size())和使用桶数(bucket_count())的比值,即 load_factor() = size() / bucket_count()。
max_load_factor() 返回或者设置当前 unordered_multimap 容器的负载因子。
rehash(n) 将当前容器底层使用桶的数量设置为 n。
reserve(n) 将存储桶的数量(也就是 bucket_count() 方法的返回值)设置为至少容纳n个元(不超过最大负载因子)所需的数量,并重新整理容器。
hash_function() 返回当前容器使用的哈希函数对象。
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;

int main()
{
    //创建空容器
    std::unordered_multimap<std::string, std::string> myummap;
    //向空容器中连续添加 5 个键值对
    myummap.emplace("Python教程", "111");
    myummap.emplace("STL教程", "222");
    myummap.emplace("Java教程", "333");
    myummap.emplace("C教程", "444");
    myummap.emplace("C教程", "555");
    //输出 muummap 容器存储键值对的个数
    cout << "myummmap size = " << myummap.size() << endl;
    //利用迭代器输出容器中存储的所有键值对
    for (auto iter = myummap.begin(); iter != myummap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    cout<<"============================="<<endl;
    auto p = myummap.equal_range("C教程");
    for(auto it = p.first;it!=p.second;++it){
        cout << it->first << " " << it->second << endl;

    }
    return 0;
}

值得一提的是,unordered_multimap 模板提供的所有成员方法的用法,都和 unordered_map 提供的同名成员方法的用法完全相同(仅是调用者发生了改变)

C++ STL unordered_set容器

unordered_set 容器,可直译为“无序 set 容器”,即 unordered_set 容器和 set 容器很像,唯一的区别就在于 set 容器会自行对存储的数据进行排序,而 unordered_set 容器不会。 

对于 unordered_set 容器不以键值对的形式存储数据,读者也可以这样认为,即 unordered_set 存储的都是键和值相等的键值对,为了节省存储空间,该类容器在实际存储时选择只存储每个键值对的值。  

实现 unordered_set 容器的模板类定义在<unordered_set>头文件,并位于 std 命名空间中。这意味着,如果程序中需要使用该类型容器,则首先应该包含如下代码:  

#include <unordered_set>
using namespace std;

unordered_set 容器的类模板定义如下:

template < class Key,            //容器中存储元素的类型
           class Hash = hash<Key>,    //确定元素存储位置所用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,   //判断各个元素是否相等所用的函数
           class Alloc = allocator<Key>   //指定分配器对象的类型
           > class unordered_set;

可以看到,以上 4 个参数中,只有第一个参数没有默认值,这意味着如果我们想创建一个 unordered_set 容器,至少需要手动传递 1 个参数。事实上,在 99% 的实际场景中最多只需要使用前 3 个参数(各自含义如表 1 所示),最后一个参数保持默认值即可。  

表 1 unordered_set模板类定义
参数 含义
Key 确定容器存储元素的类型,如果读者将 unordered_set 看做是存储键和值相同的键值对的容器,则此参数则用于确定各个键值对的键和值的类型,因为它们是完全相同的,因此一定是同一数据类型的数据。
Hash = hash<Key> 指定 unordered_set 容器底层存储各个元素时,所使用的哈希函数。需要注意的是,默认哈希函数 hash<Key> 只适用于基本数据类型(包括 string 类型),而不适用于自定义的结构体或者类。
Pred = equal_to<Key> unordered_set 容器内部不能存储相等的元素,而衡量 2 个元素是否相等的标准,取决于该参数指定的函数。 默认情况下,使用 STL 标准库中提供的 equal_to<key> 规则,该规则仅支持可直接用 == 运算符做比较的数据类型。

注意,如果 unordered_set 容器中存储的元素为自定义的数据类型,则默认的哈希函数 hash<key> 以及比较函数 equal_to<key> 将不再适用,只能自己设计适用该类型的哈希函数和比较函数,并显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数。  

创建C++ unordered_set容器:  

前面介绍了如何创建 unordered_map 和 unordered_multimap 容器,值得一提的是,创建它们的所有方式完全适用于 unordereded_set 容器

  • 通过调用 unordered_set 模板类的默认构造函数,可以创建空的 unordered_set 容器。比如:
std::unordered_set<std::string> uset;
  • 当然,在创建 unordered_set 容器的同时,可以完成初始化操作。比如:
std::unordered_set<std::string> uset{ "aaa",
                                      "bbb",
                                      "ccc" };
  • 还可以调用 unordered_set 模板中提供的复制(拷贝)构造函数,将现有 unordered_set 容器中存储的元素全部用于为新建 unordered_set 容器初始化。  
std::unordered_set<std::string> uset2(uset);

除此之外,C++ 11 标准中还向 unordered_set 模板类增加了移动构造函数,即以右值引用的方式,利用临时 unordered_set 容器中存储的所有元素,给新建容器初始化。例如:

//返回临时 unordered_set 容器的函数
std::unordered_set <std::string> retuset() {
    std::unordered_set<std::string> tempuset{ "C_language",
                                              "java",
                                              "linux" };
    return tempuset;
}
//调用移动构造函数,创建 uset 容器
std::unordered_set<std::string> uset(retuset());

注意,无论是调用复制构造函数还是移动构造函数,必须保证 2 个容器的类型完全相同。  

  • 当然,如果不想全部拷贝,可以使用 unordered_set 类模板提供的迭代器,在现有 unordered_set 容器中选择部分区域内的元素,为新建 unordered_set 容器初始化。例如:
//传入 2 个迭代器,
std::unordered_set<std::string> uset2(++uset.begin(),uset.end());

C++ unordered_set容器的成员方法:  

表 2 unordered_set 类模板成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个元素的正向迭代器
end(); 返回指向容器中最后一个元素之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过其返回的是 const 类型的正向迭代器。
cend() 和 end() 功能相同,只不过其返回的是 const 类型的正向迭代器。
empty() 若容器为空,则返回 true;否则 false。
size() 返回当前容器中存有元素的个数。
max_size() 返回容器所能容纳元素的最大个数,不同的操作系统,其返回值亦不相同。
find(key) 查找以值为 key 的元素,如果找到,则返回一个指向该元素的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个元素之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)。
count(key) 在容器中查找值为 key 的元素的个数。
equal_range(key) 返回一个 pair 对象,其包含 2 个迭代器,用于表明当前容器中值为 key 的元素所在的范围。
emplace() 向容器中添加新元素,效率比 insert() 方法高。
emplace_hint() 向容器中添加新元素,效率比 insert() 方法高。
insert() 向容器中添加新元素。
erase() 删除指定元素。
clear() 清空容器,即删除容器中存储的所有元素。
swap() 交换 2 个 unordered_map 容器存储的元素,前提是必须保证这 2 个容器的类型完全相等
bucket_count() 返回当前容器底层存储元素时,使用桶(一个线性链表代表一个桶)的数量。
max_bucket_count() 返回当前系统中,unordered_map 容器底层最多可以使用多少桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储元素的数量。
bucket(key) 返回值为 key 的元素所在桶的编号。
load_factor() 返回 unordered_map 容器中当前的负载因子。负载因子,指的是的当前容器中存储元素的数量(size())和使用桶数(bucket_count())的比值,即 load_factor() = size() / bucket_count()。
max_load_factor() 返回或者设置当前 unordered_map 容器的负载因子。
rehash(n) 将当前容器底层使用桶的数量设置为 n。
reserve(n) 将存储桶的数量(也就是 bucket_count() 方法的返回值)设置为至少容纳n个元素(不超过最大负载因子)所需的数量,并重新整理容器。
hash_function() 返回当前容器使用的哈希函数对象。

注意,此容器模板类中没有重载 [ ] 运算符,也没有提供 at() 成员方法。不仅如此,由于 unordered_set 容器内部存储的元素值不能被修改,因此无论使用那个迭代器方法获得的迭代器,都不能用于修改容器中元素的值。  

另外,对于实现互换 2 个相同类型 unordered_set 容器的所有元素,除了调用表 2 中的 swap() 成员方法外,还可以使用 STL 标准库提供的 swap() 非成员函数,它们具有相同的名称,用法也相同(都只需要传入 2 个参数即可),仅是调用方式上有差别。

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_set>
using namespace std;

int main()
{
    //创建一个空的unordered_set容器
    std::unordered_set<std::string> uset;
    //给 uset 容器添加数据
    uset.emplace("111");
    uset.emplace("222");
    uset.emplace("333");
    //查看当前 uset 容器存储元素的个数
    cout << "uset size = " << uset.size() << endl;
    //遍历输出 uset 容器存储的所有元素
    for (auto iter = uset.begin(); iter != uset.end(); ++iter) {
        cout << *iter << endl;
    }
    return 0;
}

 注意,表 2 中绝大多数成员方法的用法,都和 unordered_map 容器提供的同名成员方法相同

C++ STL unordered_multiset容器

和 unordered_set 容器不同的是,unordered_multiset 容器可以同时存储多个值相同的元素,且这些元素会存储到哈希表中同一个桶(本质就是链表)上。  读者可以这样认为,unordered_multiset 除了能存储相同值的元素外,它和 unordered_set 容器完全相同。  

另外值得一提的是,实现 unordered_multiset 容器的模板类并没有定义在以该容器名命名的文件中,而是和 unordered_set 容器共用同一个<unordered_set>头文件,并且也位于 std 命名空间。因此,如果程序中需要使用该类型容器,应包含如下代码:  

#include <unordered_set>
using namespace std;

unordered_multiset 容器类模板的定义如下:

template < class Key,            //容器中存储元素的类型
           class Hash = hash<Key>,    //确定元素存储位置所用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,   //判断各个元素是否相等所用的函数
           class Alloc = allocator<Key>   //指定分配器对象的类型
           > class unordered_multiset;

需要说明的是,在 99% 的实际场景中,最多只需要使用前 3 个参数(各自含义如表 1 所示),最后一个参数保持默认值即可。

表 1 unordered_multiset 模板类定义
参数 含义
Key 确定容器存储元素的类型,如果读者将 unordered_multiset 看做是存储键和值相同的键值对的容器,则此参数则用于确定各个键值对的键和值的类型,因为它们是完全相同的,因此一定是同一数据类型的数据。
Hash = hash<Key> 指定 unordered_multiset 容器底层存储各个元素时所使用的哈希函数。需要注意的是,默认哈希函数 hash<Key> 只适用于基本数据类型(包括 string 类型),而不适用于自定义的结构体或者类。
Pred = equal_to<Key> 用于指定 unordered_multiset 容器判断元素值相等的规则。默认情况下,使用 STL 标准库中提供的 equal_to<key> 规则,该规则仅支持可直接用 == 运算符做比较的数据类型。

总之,如果 unordered_multiset 容器中存储的元素为自定义的数据类型,则默认的哈希函数 hash<key> 以及比较函数 equal_to<key> 将不再适用,只能自己设计适用该类型的哈希函数和比较函数,并显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数。  

创建C++ unordered_multiset容器

  • 调用 unordered_multiset 模板类的默认构造函数,可以创建空的 unordered_multiset 容器。比如:
std::unordered_multiset<std::string> umset;
  • 当然,在创建 unordered_multiset 容器的同时,可以进行初始化操作。比如:
std::unordered_multiset<std::string> umset{ "123",
                                            "222",
                                            "333" };
  • 还可以调用 unordered_multiset 模板中提供的复制(拷贝)构造函数,将现有 unordered_multiset 容器中存储的元素全部用于为新建 unordered_multiset 容器初始化。
std::unordered_multiset<std::string> umset2(umset);

除此之外,C++ 11 标准中还向 unordered_multiset 模板类增加了移动构造函数,即以右值引用的方式,利用临时 unordered_multiset 容器中存储的所有元素,给新建容器初始化。例如:

//返回临时 unordered_multiset 容器的函数
std::unordered_multiset <std::string> retumset() {
    std::unordered_multiset<std::string> tempumset{ "C_language/",
                                                    "java/",
                                                    "linux/" };
    return tempumset;
}
//调用移动构造函数,创建 umset 容器
std::unordered_multiset<std::string> umset(retumset());

注意,无论是调用复制构造函数还是移动构造函数,必须保证 2 个容器的类型完全相同。  

  • 当然,如果不想全部拷贝,可以使用 unordered_multiset 类模板提供的迭代器,在现有 unordered_multiset 容器中选择部分区域内的元素,为新建 unordered_multiset 容器初始化。例如:
//传入 2 个迭代器,
std::unordered_multiset<std::string> umset2(++umset.begin(), umset.end());

C++ unordered_multiset容器的成员方法:  

值得一提的是,unordered_multiset 模板类中提供的成员方法,无论是种类还是数量,都和 unordered_set 类模板一样,如表 2 所示。

表 2 unordered_set 类模板成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个元素的正向迭代器
end(); 返回指向容器中最后一个元素之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过其返回的是 const 类型的正向迭代器。
cend() 和 end() 功能相同,只不过其返回的是 const 类型的正向迭代器。
empty() 若容器为空,则返回 true;否则 false。
size() 返回当前容器中存有元素的个数。
max_size() 返回容器所能容纳元素的最大个数,不同的操作系统,其返回值亦不相同。
find(key) 查找以值为 key 的元素,如果找到,则返回一个指向该元素的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个元素之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)。
count(key) 在容器中查找值为 key 的元素的个数。
equal_range(key) 返回一个 pair 对象,其包含 2 个迭代器,用于表明当前容器中值为 key 的元素所在的范围。
emplace() 向容器中添加新元素,效率比 insert() 方法高。
emplace_hint() 向容器中添加新元素,效率比 insert() 方法高。
insert() 向容器中添加新元素。
erase() 删除指定元素。
clear() 清空容器,即删除容器中存储的所有元素。
swap() 交换 2 个 unordered_multimap 容器存储的元素,前提是必须保证这 2 个容器的类型完全相等
bucket_count() 返回当前容器底层存储元素时,使用桶(一个线性链表代表一个桶)的数量。
max_bucket_count() 返回当前系统中,容器底层最多可以使用多少桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储元素的数量。
bucket(key) 返回值为 key 的元素所在桶的编号。
load_factor() 返回容器当前的负载因子。所谓负载因子,指的是的当前容器中存储元素的数量(size())和使用桶数(bucket_count())的比值,即 load_factor() = size() / bucket_count()。
max_load_factor() 返回或者设置当前 unordered_map 容器的负载因子。
rehash(n) 将当前容器底层使用桶的数量设置为 n。
reserve(n) 将存储桶的数量(也就是 bucket_count() 方法的返回值)设置为至少容纳n个元素(不超过最大负载因子)所需的数量,并重新整理容器。
hash_function() 返回当前容器使用的哈希函数对象。

注意,和 unordered_set 容器一样,unordered_multiset 模板类也没有重载 [ ] 运算符,没有提供 at() 成员方法。不仅如此,无论是由哪个成员方法返回的迭代器,都不能用于修改容器中元素的值。  另外,对于互换 2 个相同类型 unordered_multiset 容器存储的所有元素,除了调用表 2 中的 swap() 成员方法外,STL 标准库也提供了 swap() 非成员函数。  

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_set>
using namespace std;

int main()
{
    //创建空容器
    std::unordered_multiset<std::string> myummap;
    //向空容器中连续添加 5 个键值对
    myummap.emplace("Python教程");
    myummap.emplace("STL教程");
    myummap.emplace("Java教程");
    myummap.emplace("C教程");
    myummap.emplace("C教程");
    //输出 muummap 容器存储键值对的个数
    cout << "myummmap size = " << myummap.size() << endl;
    //利用迭代器输出容器中存储的所有键值对
    for (auto iter = myummap.begin(); iter != myummap.end(); ++iter) {
        cout << *iter << " "<< endl;
    }
    cout<<"============================="<<endl;
    auto p = myummap.equal_range("C教程");
    for(auto it = p.first;it!=p.second;++it){
        cout << *it << endl;

    }
    return 0;
}

自定义C++ STL无序容器的哈希函数和比较规则

 我们知道,无序容器以键值对的方式存储数据(unordered_set 和 unordered_multiset 容器可以看做存储的是键和值相等的键值对),且底层采用哈希表结构存储各个键值对。在此存储结构中,哈希函数的功能是根据各个键值对中键的值,计算出一个哈希值(本质就是一个整数),哈希表可以根据该值判断出该键值对具体的存储位置。 

简单地理解哈希函数,它可以接收一个元素,并通过内部对该元素做再加工,最终会得出一个整形值并反馈回来。需要注意的是,哈希函数只是一个称谓,其本体并不是普通的函数形式,而是一个函数对象类。因此,如果我们想自定义个哈希函数,就需要自定义一个函数对象类

举个例子,假设有如下一个 Person 类:

class Person {
public:
    Person(string name, int age) :name(name), age(age) {};
    string getName() const;
    int getAge() const;
private:
    string name;
    int age;
};
string Person::getName() const {
    return this->name;
}
int Person::getAge() const {
    return this->age;
}

在此基础上,假设我们想创建一个可存储 Person 类对象的 unordered_set 容器,考虑到 Person 为自定义的类型,因此默认的 hash<key> 哈希函数不再适用,这时就需要以函数对象类的方式自定义一个哈希函数。比如:

class hash_fun {
public:
    int operator()(const Person &A) const {
        return A.getAge();
    }
};

注意,重载 ( ) 运算符时,其参数必须为 const 类型,且该方法也必须用 const 修饰

事实上,默认的 hash<key> 哈希函数,其底层也是以函数对象类的形式实现的。  

默认情况下无序容器使用的 std::equal_to<key> 比较规则,其本质也是一个函数对象类,底层实现如下:

template<class T>
class equal_to
{
public:   
    bool operator()(const T& _Left, const T& _Right) const{
        return (_Left == _Right);
    }   
};

可以看到,该规则在底层实现过程中,直接用 == 运算符比较容器中任意 2 个元素是否相等,这意味着,如果容器中存储的元素类型,支持直接用 == 运算符比较是否相等,则该容器可以使用默认的 std::equal_to<key> 比较规则;反之,就不可以使用。  

显然,对于我们上面创建的 myset 容器,其内部存储的是 Person 类对象,不支持直接使用 == 运算符做比较。这种情况下,有以下 2 种方式可以解决此问题: 

  • 在 Person 类中重载 == 运算符,这会使得 std::equal_to<key> 比较规则中使用的 == 运算符变得合法,myset 容器就可以继续使用 std::equal_to<key> 比较规则;
  • 以函数对象类的方式,自定义一个适用于 myset 容器的比较规则。  

重载==运算符:  

如果选用第一种解决方式,仍以 Python 类为例,在此类的外部添加如下语句:  

bool operator==(const Person &A, const Person &B) {
    return (A.getAge() == B.getAge());
}

注意,这里在重载 == 运算符时,2 个参数必须用 const 修饰。  

以函数对象类的方式自定义比较规则:  

除此之外,还可以完全舍弃 std::equal_to<key>,以函数对象类的方式自定义一个比较规则。比如:  

class mycmp {
public:
    bool operator()(const Person &A, const Person &B) const {
        return (A.getName() == B.getName()) && (A.getAge() == B.getAge());
    }
};

总结:

  • 总的来说,当无序容器中存储的是基本类型(int、double、float、string)数据时,自定义哈希函数和比较规则,都只能以函数对象类的方式实现。 
  • 而当无序容器中存储的是用结构体或类自定义类型的数据时,自定义哈希函数的方式仍只有一种,即使用函数对象类的形式;而自定义比较规则的方式有两种,要么也以函数对象类的方式,要么仍使用默认的 std::equal_to<key> 规则,但前提是必须重载 == 运算符。  
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_set>
using namespace std;
class Person {
public:
    Person(string name, int age) :name(name), age(age) {};
    string getName() const;
    int getAge() const;
private:
    string name;
    int age;
};
string Person::getName() const {
    return this->name;
}
int Person::getAge() const {
    return this->age;
}
//自定义哈希函数
class hash_fun {
public:
    int operator()(const Person &A) const {
        return A.getAge();
    }
};

//重载 == 运算符,myset 可以继续使用默认的 equal_to<key> 规则
bool operator==(const Person &A, const Person &B) {

    return (A.getAge() == B.getAge());
}
//完全自定义比较规则,弃用 equal_to<key>
class mycmp {
public:
    bool operator()(const Person &A, const Person &B) const {
        return (A.getName() == B.getName()) && (A.getAge() == B.getAge());
    }
};
int main()
{
    //使用自定义的 hash_fun 哈希函数,比较规则仍选择默认的 equal_to<key>,前提是必须重载 == 运算符
    std::unordered_set<Person, hash_fun> myset1{ {"zhangsan", 40},{"zhangsan", 40},{"lisi", 40},{"lisi", 30} };
    //使用自定义的 hash_fun 哈希函数,以及自定义的 mycmp 比较规则
    std::unordered_set<Person, hash_fun, mycmp> myset2{ {"zhangsan", 40},{"zhangsan", 40},{"lisi", 40},{"lisi", 30} };

    cout << "myset1:" << endl;
    for (auto iter = myset1.begin(); iter != myset1.end(); ++iter) {
        cout << iter->getName() << " " << iter->getAge() << endl;
    }

    cout << "myset2:" << endl;
    for (auto iter = myset2.begin(); iter != myset2.end(); ++iter) {
        cout << iter->getName() << " " << iter->getAge() << endl;
    }
    return 0;
}

 C++ STL容器这么多,怎样选出最适合的?

总的来说,C++ STL 标准库(以 C++ 11 为准)提供了以下几种容器供我们选择:

  • 序列式容器:array、vector、deque、list 和 forward_list;
  • 关联式容器:map、multimap、set 和 multiset;
  • 无序关联式容器:unordered_map、unordered_multimap、unordered_set 和 unordered_multiset;
  • 容器适配器:stack、queue 和 priority_queue。 

上面是依据容器类型进行分类的。实际上,每个容器所具有的特性都和其底层选用的存储结构息息相关。根据容器底层采用的是连续的存储空间,还是分散的存储空间(以链表或者树作为存储结构),还可以将上面容器分为如下两类:  

  • 采用连续的存储空间:array、vector、deque;
  • 采用分散的存储空间:list、forward_list 以及所有的关联式容器和哈希容器。  

既然 C++ STL 标准库提供了这么多种容器,在实际场景中我们应该如何选择呢?  要想选择出适用于该特定场景的最佳容器,需要综合考虑多种实际因素,例如:  

  • 是否需要在容器的指定位置插入新元素?如果需要,则只能选择序列式容器,而关联式容器和哈希容器是不行的;
  • 是否对容器中各元素的存储位置有要求?如果没有,则可以考虑使用哈希容器,反之就要避免使用哈希容器
  • 是否需要使用指定类型的迭代器?举个例子,如果必须是随机访问迭代器,则只能选择 array、vector、deque;如果必须是双向迭代器,则可以考虑 list 序列式容器以及所有的关联式容器;如果必须是前向迭代器,则可以考虑 forward_list 序列式容器以及所有的哈希容器;
  • 当发生新元素的插入或删除操作时,是否要避免移动容器中的其它元素?如果是,则要避开 array、vector、deque,选择其它容器;
  • 容器中查找元素的效率是否为关键的考虑因素?如果是,则应优先考虑哈希容器

当然,以上问题并没有涵盖所有的情形,只是起到一个抛砖引玉的作用。在实际场景中,我们需要考虑更多的因素(例如对比各个容器解决当前问题所需的时间复杂度),经过层层筛选,最终找到适合该场景的那个容器。  

   

 

免责声明 第4章 C++ STL无序关联式容器总结 - 朴素贝叶斯 - 博客园,资源类别:文本, 浏览次数:32 次, 文件大小:-- , 由本站蜘蛛搜索收录2022-11-24 06:21:05。此页面由程序自动采集,只作交流和学习使用,本站不储存任何资源文件,如有侵权内容请联系我们举报删除, 感谢您对本站的支持。 原文链接:https://www.cnblogs.com/zjuhaohaoxuexi/p/16795482.html