C++ STL 入门：map 键值对容器

一、核心特性与适用场景

map 是 C++ STL 提供的关联式键值容器，基于红黑树实现，具备以下核心特征：

特性	表现形式	底层原理
键唯一性	不允许重复键值	红黑树节点键值唯一约束
自动排序	元素按键升序排列	红黑树中序遍历特性
对数复杂度	插入/查找/删除均为 O(log n)	树高平衡特性保障

典型应用场景：

字典统计（如词频统计）
有序数据映射（如时间序列数据）
配置管理（键值对存储）
关联容器组合（与vector/set配合）

二、基础操作与代码演示

1. 容器初始化

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;

int main() {
    // 默认构造：空映射
    map<string, int> m; 

    // 初始化列表构造（C++11）
    map<string, int> m2 = {
        {"hello", 4}, 
        {"world", 3}, 
        {"ilovewuhan", 5}
    };

2. 元素操作全流程

cpp 复制代码

    // 插入操作
    m["hello"] = 4;     // 插入键值对
    m["world"] = 3; 
    m["ilovewuhan"] = 5;
    m["ha"] = 1;        // 支持中文键值（字符串编码需统一）

    // 下标访问（注意副作用）
    cout << "hello : " << m["hello"] << endl; // 输出4

    // 安全访问示范
    if(m.find("cpp") != m.end()) {
        cout << m.at("cpp"); // 不存在时抛出out_of_range
    }

    // 迭代器遍历
    for(auto it = m.begin(); it != m.end(); ++it){
        cout << it->first << ":" << it->second << " ";
    } // 输出按键排序：ha hello ilovewuhan world

    // 获取容器大小
    cout << "\nmap的长度为: " << m.size() << endl; // 输出4

三、操作时间复杂度分析

操作类型	时间复杂度	特性说明
insert()	O(log n)	需要平衡树结构调整
erase()	O(log n)	同样涉及树重构
find()	O(log n)	二分查找特性
operator[]	O(log n)	不存在时自动插入默认值
at()	O(log n)	带异常检查的安全访问
遍历	O(n)	中序遍历完整红黑树

四、进阶用法与技巧

1. 自定义排序规则

cpp 复制代码

// 创建降序map（按字符串长度排序）
struct cmp {
    bool operator()(const string& a, const string& b) const {
        return a.size() < b.size(); // 按键长排序
    }
};
map<string, int, cmp> m3;

m3["a"] = 1; 
m3["longer"] = 2; 
m3["mid"] = 3;

// 遍历顺序：a → mid → longer

2. 批量操作优化

cpp 复制代码

// 范围删除
auto start = m.lower_bound("h"); // >=h的第一个键
auto end = m.upper_bound("w");   // >w的第一个键
m.erase(start, end); // 删除所有h ≤ key < w的键值对

// 合并操作（C++17）
map<string, int> src{{"x",10}, {"y",20}};
m.merge(src); // 将src中的元素移动到m中

3. 节点控制（C++17）

cpp 复制代码

// 提取节点修改键
auto nh = m.extract("ilovewuhan"); 
nh.key() = "newkey"; // 修改键值（必须保持排序不变！）
m.insert(move(nh));  // 重新插入

// 节点拼接（零拷贝转移）
map<string, int> m4;
m4.insert(m.extract(m.begin())); // 将首个节点转移到m4

五、易错点与解决方案

错误类型	典型表现	解决方案
意外插入	`m["nonexist"]`返回0	优先使用`find()`检查
排序规则错误	自定义比较器未满足严格弱序	遵循运算符重载规范
迭代器失效	遍历时删除元素	使用`erase()`返回新迭代器
多线程竞争	并发读写未加锁	使用`std::mutex`保护

安全访问示例：

cpp 复制代码

int get_value(const map<string, int>& m, const string& key) {
    auto it = m.find(key);
    if(it != m.end()) return it->second;
    throw invalid_argument("Key not found");
}

六、性能优化技巧

空间预留优化（C++11）

cpp 复制代码

m.max_size(); // 查询最大容量
m.rehash(100); // 预留足够哈希桶（unordered_map用法）

插入效率优化

cpp 复制代码

// 使用emplace原地构造
m.emplace("newkey", 42); // 避免临时对象生成

// 批量插入优化
vector<pair<string, int>> vec = { /*...*/ };
m.insert(vec.begin(), vec.end()); // 批量插入O(n log n)

内存收缩技巧

cpp 复制代码

// 清空并释放内存
map<string, int>(m).swap(m); 

// 合并后收缩
m.merge(m2);
map<string, int>(m).swap(m);

七、知识延伸与对比

容器类型	键唯一性	查找效率	排序特性	典型应用场景
map	是	O(log n)	自动升序	有序键值对存储
unordered_map	是	O(1)平均	无序	快速查找
multimap	否	O(log n)	允许重复键	一对多关系映射
set	N/A	O(log n)	仅存储键	数据去重

配套练习项目 ：
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