浅谈C++|STL之map篇

一.map

1.1map概念

简介:

• map中所有元素都是pair
• pair中第一个元素为key(键值)，起到索引作用，第二个元素为value(实值)
• 所有元素都会根据元素的键值自动排序

本质:

• . map/multimap属于关联式容器，底层结构是用二叉树实现。

优点:

• 可以根据key值快速找到value值

map和multimap区别:

• map不允许容器中有重复key值元素

• multimap允许容器中有重复key值元素

1.2pair模板类

作用

std::pair 是 C++ 标准库中定义的一个模板类，用于将两个值组合为一个类型。它提供了简单的方式来存储和操作两个不同类型的值。

以下是 std::pair 的一些特点和用法：

1. 创建 pair 对象：

   • 使用构造函数，可以指定两个值。

2. 访问 pair 对象的值：

   • 通过 first 和 second 成员变量，分别访问第一个和第二个值。

3. 比较 pair 对象：

   • 支持 ==、!=、<、<=、>、>= 运算符的比较操作。

4. 作为函数的返回值：

   • pair 可以用作函数的返回值，这样可以方便地返回多个值。

5. 作为容器的元素：

   • pair 可以作为容器（如 vector、map 等）的元素，以存储多个不同类型的值。

例如，以下是使用 std::pair 的一个示例：

#include <iostream>
#include <utility>

int main() {
    std::pair<int, std::string> myPair(1, "Hello");
    std::cout << myPair.first << " " << myPair.second << std::endl;

    return 0;
}

上述代码创建了一个 pair 对象 myPair，其中第一个值为 1，第二个值为 "Hello"。在输出时，可以使用 first 和 second 成员变量来访问这两个值，并输出结果为 1 Hello。

std::pair 在许多情况下都非常有用，特别是当需要将两个不同类型的值作为一个实体使用时。

创建方式

std::pair 可以通过多种方式进行创建，以下是几种常见的创建方式：

1. 使用构造函数：

   • 使用带有参数的构造函数来创建 pair 对象，需要指定两个值的类型。

   std::pair<int, std::string> myPair(1, "Hello");

2. 使用 std::make_pair() 函数：

   • 使用 std::make_pair() 函数可以更方便地创建 pair 对象，不需要显式指定类型。

   auto myPair = std::make_pair(1, "Hello");

3. 使用初始化列表：

   • 可以使用初始化列表来创建 pair 对象，并指定两个值。

   std::pair<int, std::string> myPair = {1, "Hello"};

4. 将 pair 作为函数的返回值：

   • pair 可以作为函数的返回值，将多个值一起返回。

   std::pair<int, std::string> getValues() {
       return std::make_pair(1, "Hello");
   }

上述示例中，创建了一个 pair 对象，并指定了两个值。可以根据需要选择适合的方式来创建 pair 对象。无论使用哪种方式，pair 都可以方便地将两个不同类型的值组合为一个对象。

创建方式	示例代码
构造函数	std::pair<int, std::string> myPair(1, "Hello");
std::make_pair()	auto myPair = std::make_pair(1, "Hello");
初始化列表	std::pair<int, std::string> myPair = {1, "Hello"};
作为函数返回值	std::pair<int, std::string> getValues() { return std::make_pair(1, "Hello"); }

1.3map的构造和赋值

map数据类型只能是各种pair

1. 默认构造函数：

   • 使用默认构造函数创建一个空的 map 容器。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap;

2. 初始化列表构造函数：

   • 使用初始化列表构造函数，可以在创建 map 的同时初始化一些键-值对。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap = { {key1, value1}, {key2, value2}, ... };

3. 范围构造函数：

   • 使用另一个容器的范围构造函数，可以将其他容器的内容复制到一个新的 map 中。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap(otherContainer.begin(), otherContainer.end());

4. 拷贝构造函数：

   • 使用另一个 map 的拷贝构造函数，可以创建一个已有 map 的副本。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap(otherMap);

5. 赋值运算符：

   • 使用赋值运算符，将一个 map 的内容赋值给另一个 map。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap;
   myMap = otherMap;

6. 移动构造函数和移动赋值运算符：

   • C++11 引入了移动语义，可以使用移动构造函数和移动赋值运算符来高效地将一个 map 的内容移动到另一个 map 中，避免不必要的复制。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap(std::move(otherMap));  // 移动构造函数
   myMap = std::move(otherMap);  // 移动赋值运算符

这些是使用 map 的常见构造和赋值方式。根据实际需求，选择适当的方法来构造和赋值 map 对象。

构造/赋值方式	示例代码
默认构造函数	std::map<KeyType, ValueType> myMap;
初始化列表构造函数	std::map<KeyType, ValueType> myMap = { {key1, value1}, {key2, value2}, ... };
范围构造函数	std::map<KeyType, ValueType> myMap(otherContainer.begin(), otherContainer.end());
拷贝构造函数	std::map<KeyType, ValueType> myMap(otherMap);
赋值运算符	std::map<KeyType, ValueType> myMap; myMap = otherMap;
移动构造函数	std::map<KeyType, ValueType> myMap(std::move(otherMap));
移动赋值运算符	myMap = std::move(otherMap);

1.4map的大小和交换

在C++中，std::map 提供了几种常用的成员函数来获取大小以及进行交换操作。

1. 获取大小:

   • size() 函数可以返回当前 map 中键值对的数量。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap;
   int size = myMap.size();

2. 判断是否为空:

   • empty() 函数可以判断 map 是否为空，返回一个布尔值表示是否为空。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap;
   bool isEmpty = myMap.empty();

3. 交换 map:

   • swap() 函数可以交换两个 map 容器的内容。

   std::map<KeyType, ValueType> map1;
   std::map<KeyType, ValueType> map2;
   // 交换 map1 和 map2 的内容
   map1.swap(map2);

使用这些操作可以方便地获取 map 的大小，并且在需要时交换 map 容器的内容。记住，在交换时，map 中的元素会被交换，并且两个 map 的键值对会互相替换。

操作	示例代码
获取大小	std::map<KeyType, ValueType> myMap; int size = myMap.size();
判断是否为空	std::map<KeyType, ValueType> myMap; bool isEmpty = myMap.empty();
交换 map	std::map<KeyType, ValueType> map1; std::map<KeyType, ValueType> map2; map1.swap(map2);

1.5map的插入和删除

在 C++ 中，std::map 提供了几种用于插入和删除元素的成员函数和操作符。

1. 插入元素:

   • 使用 insert() 函数可以插入一个键值对或一对迭代器范围的键值对。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap;
   
   // 单个插入
   myMap.insert(std::make_pair(key, value));
   
   // 插入多个元素
   std::map<KeyType, ValueType> anotherMap;
   myMap.insert(anotherMap.begin(), anotherMap.end());

2. 删除元素:

   • 使用 erase() 函数可以删除指定键的元素，也可以使用迭代器来删除一个或一段元素。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap;
   
   // 删除指定键的元素
   myMap.erase(key);
   
   // 删除迭代器指向的元素
   std::map<KeyType, ValueType>::iterator it = myMap.find(key);
   if (it != myMap.end()) {
       myMap.erase(it);
   }
   
   // 删除元素范围
   myMap.erase(myMap.begin(), myMap.end());

3. 清空 map:

   • 使用 clear() 函数可以清空整个 map 容器中的所有元素。

   std::map<KeyType, ValueType> myMap;
   myMap.clear();

这些是 std::map 插入和删除元素的常见操作。根据实际需求，选择适当的方法来插入和删除 map 中的元素。

操作	示例代码
插入单个元素	std::map<KeyType, ValueType> myMap; myMap.insert(std::make_pair(key, value));
插入多个元素	std::map<KeyType, ValueType> myMap; std::map<KeyType, ValueType> anotherMap; myMap.insert(anotherMap.begin(), anotherMap.end());
删除指定键的元素	std::map<KeyType, ValueType> myMap; myMap.erase(key);
删除迭代器指向的元素	std::map<KeyType, ValueType> myMap; std::map<KeyType, ValueType>::iterator it = myMap.find(key); if (it != myMap.end()) { myMap.erase(it); }
删除元素范围	std::map<KeyType, ValueType> myMap; myMap.erase(myMap.begin(), myMap.end());
清空 map	std::map<KeyType, ValueType> myMap; myMap.clear();

1.6map的查找和统计

在 C++ 中，std::set 提供了几种用于查找和统计元素的成员函数。

1. 查找元素:

   • 使用 find() 函数来查找指定值的元素，如果找到则返回指向该元素的迭代器，否则返回 end() 迭代器。

   std::set<ValueType> mySet;
   
   // 查找指定值的元素
   std::set<ValueType>::iterator it = mySet.find(value);
   if (it != mySet.end()) {
       // 元素找到
   }

2. 统计元素个数:

   • 使用 count() 函数来统计指定值的元素在 set 中出现的次数。

   std::set<ValueType> mySet;
   
   // 统计指定值的元素个数
   int count = mySet.count(value);

3. 判断元素是否存在:

   • 使用 count() 函数来判断指定值的元素是否存在于 set 中（存在时返回 1 个或更多的计数）。

   std::set<ValueType> mySet;
   
   // 判断指定值的元素是否存在
   bool exists = mySet.count(value) > 0;

这些是 std::set 查找和统计元素的常见操作。你可以根据实际需求，使用这些函数来查找特定的元素并统计元素的个数。

操作	示例代码
查找指定值的元素	std::set<ValueType> mySet; std::set<ValueType>::iterator it = mySet.find(value); if (it != mySet.end()) { /* 元素找到 */ }
统计指定值的个数	std::set<ValueType> mySet; int count = mySet.count(value);
判断元素是否存在	std::set<ValueType> mySet; bool exists = mySet.count(value) > 0;

这个表格将 set 的查找和统计操作整理成了一个简洁的表格。你可以根据实际需求使用这些操作来查找指定值的元素、获取指定值在集合中的个数，或者判断元素是否存在于集合中。

1.7map容器排序

map容器排序，和set排序一样，都需要借用仿函数。 在 C++ 中，std::map 是一个关联容器，按照键的自动排序进行存储。默认情况下，std::map 使用键的升序进行排序。但如果你希望按照其他方式进行排序，可以通过自定义比较函数来实现。

以下是一些实现 std::map 容器排序的示例代码：

#include <iostream>
#include <map>
#include <functional>

// 自定义比较函数，按照值的降序进行排序
struct CompareByValue {
    bool operator()(const int& a, const int& b) const {
        return a > b; // 使用大于号实现降序
    }
};

int main() {
    std::map<int, std::string> myMap; // 默认按照键的升序排序

    // 添加元素
    myMap.insert(std::make_pair(3, "C"));
    myMap.insert(std::make_pair(1, "A"));
    myMap.insert(std::make_pair(2, "B"));

    // 遍历输出，默认按照键的升序输出
    std::cout << "默认升序排序：" << std::endl;
    for (const auto& pair : myMap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

    // 使用自定义比较函数，按照值的降序排序
    std::map<int, std::string, CompareByValue> sortedMap;

    // 复制原始 map 的元素到排序后的 map
    sortedMap.insert(myMap.begin(), myMap.end());

    // 遍历输出，按照值的降序输出
    std::cout << "按值降序排序：" << std::endl;
    for (const auto& pair : sortedMap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

    return 0;
}

在示例代码中，CompareByValue 结构体是一个自定义的比较函数对象，实现了按照值的降序进行排序。在创建 std::map 容器时，可以传入 CompareByValue 类型作为第三个模板参数来指定自定义比较函数。

注：如果你想对 std::map 进行临时排序而不影响原始数据的排序，你可以使用 std::multimap 或在复制数据后进行排序。

二.multimap

multimap是键值可以重复的map。

std::map 和 std::multimap 之间的区别：

1. 唯一性：std::map 要求键的唯一性，每个键只能对应一个值。而 std::multimap 允许键的重复，即可以存储多个具有相同键的值。

2. 排序：std::map 按照键的默认严格弱序进行排序，这有助于提高搜索效率。默认情况下，键是按照升序排序的。而 std::multimap 也按照键的默认严格弱序进行排序，即也是按照升序排序的。

3. 删除：对于 std::map，删除给定键的元素将删除具有该键的唯一元素。而对于 std::multimap，删除给定键的元素将删除所有具有该键的元素。

4. multimap没有重载[ ]，map可以直接用[]访问，修改，插入数据。

总结起来，std::map 适合存储唯一键值对并按照键进行排序的场景。而 std::multimap 适合存储允许键重复的键值对，并且也可以按照键进行排序。

三.unordered_map

在函数接口方面，std::map 和 std::unordered_map 之间有一些区别和差异。以下是其中的一些主要区别：

1. 插入元素：对于 std::map，可以使用 insert() 函数或 [] 运算符插入一个键值对。如果已经存在相同的键，则插入不会生效。而对于 std::unordered_map，也可以使用 insert() 函数或 [] 运算符插入一个键值对，但如果已经存在相同的键，则新的值将取代旧的值。

2. 查找元素：对于 std::map，可以使用 find() 函数根据键查找元素，并返回一个迭代器指向找到的元素，如果没找到则返回末尾迭代器。而对于 std::unordered_map，也可以使用 find() 函数根据键查找元素，返回一个迭代器指向找到的元素，如果没找到则返回和 end() 相等的迭代器。

3. 访问元素：对于 std::map，可以使用 [] 运算符根据键访问元素的值。而对于 std::unordered_map，同样可以使用 [] 运算符根据键访问元素的值。

4. 删除元素：对于 std::map，可以使用 erase() 函数删除给定键的元素，如果存在多个具有相同键的元素，只会删除第一个匹配的元素。而对于 std::unordered_map，可以使用 erase() 函数删除给定键的元素，它会删除所有具有相同键的元素。

除了上述不同之外，其他函数接口如迭代器操作、大小操作、清除容器等方面在 std::map 和 std::unordered_map 中基本上是相似的。

四.unordered_multimap

std::map 和 std::unordered_map 是两个不同的关联容器，而 std::unordered_multimap 则是 std::unordered_map 的多重键版本。下面是 std::unordered_multimap 和 std::map 的一些主要区别：

1. 允许重复键：在 std::map 中，每个键只能对应唯一的值，如果插入具有相同键的元素，则会替换旧值。然而，在 std::unordered_multimap 中，可以插入具有相同键的多个元素，并且允许重复键的存在。

2. 元素顺序：std::map 是有序关联容器，它按照键的严格弱顺序进行排序。在遍历 std::map 时，元素将按照排序顺序访问。而 std::unordered_multimap 是无序关联容器，它不保证元素的顺序，元素的存储和访问顺序可能会有所不同。

3. 查找效率：由于 std::unordered_multimap 基于哈希表实现，查找操作的平均时间复杂度接近 O(1)，而 std::map 则是基于红黑树，查找操作的平均时间复杂度为 O(log n)。

4. 插入顺序：在 std::map 中，每个元素按照键的顺序进行插入。而在 std::unordered_multimap 中，元素的插入顺序与它们的哈希值相关，哈希值不一样的元素可能会以不同的顺序插入。

根据需要，选择使用 std::map、std::unordered_map 还是 std::unordered_multimap 取决于数据结构的要求和性能考虑。如果需要有序访问和唯一键，可以选择 std::map；如果需要快速查找，并且键可以重复，可以选择 std::unordered_multimap。