【C++】关联容器（三）：关联容器操作

11.3 关联容器操作

关联容器还定义了如下表所列出的类型，这些类型表示容器关键字和值的类型：

key_type：此容器类型的关键字类型；
mapped_type：每个关键字关联的类型，只适用于 map；
value_type：对于 set，与 key_type 相同；对于 map，为 pair<const key_type, mapped_type>；

11.3.1 关联容器迭代器

当解引用一个关联容器迭代器时，我们会得到一个类型为容器的 value_type 的值的引用。对 map 而言，value_type 是一个 pair 类型，其 first 成员保存 const 关键字，second 成员保存值：

cpp 复制代码

auto map_it = word_count.begin();
// *map_it 是指向一个 pair<const string, size_t> 对象的引用
cout << map_it -> first;
cout << " " << map_it -> second;
map_it -> first  = "new key";	// 错误, 关键字是 const 的
++ map_it -> second;			// 正确, 可以通过迭代器修改值的元素

需要记住的是，一个 map 的 value_type 是一个 pair，我们可以改变 pair 的值，但是不可以改变它的关键字成员。

set 的迭代器是 const 的

尽管 set 类型同时定义了 iterator 和 const_iterator 类型，但两种类型都只允许访问 set 当中的元素。

遍历关联容器

map 和 set 类型都支持 begin 和 end 操作。可以用这些函数获取迭代器，然后使用迭代器来遍历容器。

例如：

cpp 复制代码

auto map_it = word_count.cbegin();
while(map_it != word_count.cend()) {
	cout << map_it -> first << " occurs " << map_it -> second << " times" << endl;
	++ map_it;
}

关联容器和算法

我们通常不对关联容器使用泛型算法。关键字（map 的 key 以及 set 当中存储的元素）为 const 这一特性意味着不能将关联容器传递给修改或重拍容器元素的算法，因为这类算法需要向元素写入值，而 set 类型中的元素是 const 的，map 中的元素是 pair，其第一个成员是 const 的。

关联容器可以用于只读取元素的算法。但很多这类算法都需要搜索序列。由于关联容器中的元素不能通过它们的关键字进行（快速）查找，因此对其使用泛型搜索算法几乎总是不好的。

在实际编程中，如果想要对一个关联容器使用算法，要么将它当作一个源序列，要么当作一个目的位置。例如可以用泛型 copy 算法将元素从关联容器拷贝到一个序列当中，也可以调用 inserter 将一个插入器绑定到一个关联容器。

11.3.2 添加元素

关联容器的 insert 成员向容器中添加一个元素 或一个元素范围。由于 map 和 set 包含不重复的关键字，因此插入一个已存在的元素对容器没有任何影响。

insert 有两个版本，分别接受一对迭代器，或是一个初始化列表。

向 map 添加元素

对一个 map 进行 insert 时，元素类型是 pair。

在 C++ 11 标准下，最简单的创建 pair 的方式是花括号初始化，也可以调用 make_pair 或显式构造 pair：

cpp 复制代码

word_count.insert({word, 1});
word_count.insert(make_pair(word, 1));
word_count.insert(map<string, size_t>::value_type(word, 1));
word_count.insert(pair<string, size_t>(word, 1));

检测 insert 的返回值

insert 返回的值依赖于容器类型和参数。对于不包含重复关键字的容器，添加单一元素的 insert 和 emplace 版本返回一个 pair，告诉我们插入操作是否成功。pair 的 first 是一个迭代器，指向给定关键字的元素；second 是一个 bool，指出元素是插入成功还是已经存在于容器当中。如果关键字已经存在于关联容器当中，那么 insert 什么事情也不做，second 的 bool 值为 false。如果关键字不存在，元素才会被插入到容器当中，且 bool 为 true。

以下是一个使用 insert 重写单词记数程序的例子：

cpp 复制代码

map<string, size_t> word_count;
string word;
while(cin >> word) {
	auto ret = word_count.insert({word, 1});	// 使用花括号初始化 pair
	if(!ret.second) {							// 如果 word 已经存在于 word_count 中
		++ ret.first -> second;					// 递增计数器
	}
}

展开递增语句

上述的递增计数器语句较难理解，可以添加一些括号来反映优先级：

cpp 复制代码

++ ((ret.first) -> second);	// 等价的表达式

向 multiset 和 multimap 添加元素

有时我们希望能够添加具有相同关键字的多个元素。此时我们可以使用 multimap 而不是 map。

由于一个 multi 关联容器中的关键字不必是唯一的，在这些类型上调用 insert 总会插入一个元素：

cpp 复制代码

multimap<string, string> authors;
authors.insert({"Barth, John", "Sot-Weed Factor"});
authors.insert({"Barth, John", "Lost in the Funhouse"});

对允许重复添加关键字的容器，接受单个元素的 insert 操作返回一个指向新元素的迭代器。这里允许返回一个 bool 值，因为 insert 总是向这类容器加入一个新元素。

11.3.3 删除元素

关联容器定义了三个版本的 erase。可以传递给 erase 一个迭代器或一个迭代器范围来删除一个元素或一个元素范围。这两个版本的 erase 较为相似，指定的元素会被删除，函数返回 void。

关联容器提供了一个额外的 erase 操作，它接受一个 key_type 参数。此版本删除所有匹配给定关键字的元素（如果存在的话），返回实际删除的元素的数量。可以用这一版本的 erase 在打印结果之前删除 word_count 中特定的单词：

cpp 复制代码

if(word_count.erase(removal_word)) {
	cout << "ok: " <, removal_word << " removed\n";
} else {
	cout << "oops: " << removal_word << " not found!\n";
}

对于保存不重复关键字的容器，这一版本的 erase 总是返回 0 或 1，因为要么容器中不包含这一关键字，如果包含的话，也只包含一个，所以成功删除的数量是一个。而对于允许重复关键字的容器，删除元素的数量可能大于 1。

11.3.4 map 的下标操作

map 和 unordered_map 容器提供了下标运算符和一个对应的 at 函数。set 类型不支持下标，因为 set 中没有与关键字相关联的"值"。元素本身就是关键字，因此"获取与一个关键字相关联的值"的操作没有意义。

同样地，我们也不能对一个 multimap 或 unordered_multimap 进行下标操作，因为这些容器有多个值与一个关键字关联。

类似之前的下标运算符，map 下标运算符接受一个索引（即关键字），获取与此关键字相关联的值。但是与其它下标运算符不同的是，如果关键字不在 map 当中，那么 map 会创建一个元素并插入到 map 当中，关联值将进行值初始化。

如果使用 at 进行下标操作，则与直接使用下标运算符略有不同。当关键字不在 map 时，使用 at 操作会抛出一个 out_of_range 异常。

使用下标操作的返回值

当对一个 map 进行下标操作时，会得到一个 mapped_type 对象；而当解引用一个 map 迭代器时，会得到一个 value_type 对象。

11.3.5 访问元素

关联容器提供了多种查找一个指定元素的方法：

lower_bound 和 upper_bound 不适用于无序容器；
下标和 at 操作只适用于非 const 的 map 和 unordered_map；
c.find(k)：返回一个迭代器，指向第一个关键字为 k 的元素。若 k 不在容器中则返回尾后迭代器；
c.count(k)：返回关键字等于 k 的元素的数量。对于不允许重复的关联容器，其值永远为 0 或 1；
c.lower_bound(k)：返回一个迭代器，指向第一个关键字不小于 k 的元素；
c.upper_bound(k)：返回一个迭代器，指向第一个关键字大于 k 的元素；
c.equal_range(k)：返回一个迭代器 pair，表示关键字等于 k 的元素的范围。若 k 不存在，pair 的两个成员均等于 c.end()。

对 map 使用 find 代替下标操作

对于 map 和 unordered_map，下标操作的一个严重副作用是：如果关键字不在 map 中，则会执行插入。

有时我们只想知道一个关键字是否在 map 中，而不想改变 map，此时使用 find 更合适：

cpp 复制代码

if(word_count.find("foobar") == word_count.end())
	cout << "foobar is not in the map" << endl;

在 multimap 或 multiset 中查找元素

如果一个 multimap 或 multiset 中有多个元素具有给定关键字，这些元素在容器中会相邻存储。

一个使用 find 和 count 进行查找的例子如下：

cpp 复制代码

string search_item("Alain de Botton");	// 要查找的作者
auto entries = authors.count(search_item);	// 查找元素的数量
auto iter = authors.find(search_item);		// 此作者的第一本书
while(entries) {
	cout << ite	r -> second << endl; 		// 打印每个题目
	++ iter;								// 前进到下一本书
	-- entries;								// 记录已经打印了多少本书
}

一种不同的，面向迭代器的解决方式

还可以用 lower_bound 和 upper_bound 来解决此问题。这两个操作都接受一个关键字，返回一个迭代器。如果关键字在容器中，lower_bound 返回的迭代器将指向第一个具有给定关键字的元素，而 upper_bound 返回的迭代器指向最后一个匹配给定关键字的元素之后的位置。

equal_range 函数

equal_range 比使用 lower_bound 和 upper_bound 更为直接。此函数接受一个关键字，返回一个迭代器 pair：

cpp 复制代码

for(auto pos = authors.equal_range(search_item); pos.first != pos.second; ++ pos.first) {
	cout << pos.first -> second << endl;
}