【C++STL】map / multimap 保姆级教程：从底层原理到实战应用!

MSTcheng.2025-12-23 8:51

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前言：在上一篇文章中，我们介绍了二叉搜索树这种树形结构，它与之前学过的序列式容器有所不同。本文将重点讲解基于二叉搜索树实现的另外一个容器：map。它的底层实现也采用了平衡二叉搜索树。

文章目录

一、map的认识

1.1 map的基本概念

map:

是一种键值对（key-value）容器，每个元素包含一个唯一的键（key）和对应的值（value）。键用于排序和唯一标识元素，值存储与键关联的数据。

map的特点：

  • 有序性： 元素按键的升序自动排序。
  • 唯一性： 每个键在 map 中只能出现一次。(不含重复数据)
  • 操作复杂度： 插入、删除和查找操作的平均时间复杂度为 O(log n)。

二、map的使用

1、map模板参数介绍：

关于map的声明有以下一些注意事项：

  • 第一个模板参数：key ，Key就是map底层关键字的类型。
  • 第二个模板参数：T(V) ，T(V)是map底层value的类型。
  • 第三个模板参数：比较器 ，set默认要求Key支持小于较，如果不支持或者需要的话可以自行实现仿函数传给第二个模版参数。
  • 第三个模板参数：空间配置器，一般情况下不需要传。

2、pair的介绍


  • pair是C++标准库中的一个模板类 ，用于存储两个不同类型的值，通常用于键值对的表示。其定义在头文件中，基本形式为std::pair<T1, T2>。T1就是key，T2就是value。
  • map是C++标准库中的关联容器 ，用于存储键值对 （key-value pairs），且键唯一。其定义在头文件中，内部通常以红黑树实现，以保证元素的有序性。

map与pair的联系：

map的每个元素本质上是一个pair对象 ，具体为std::pair<const Key, T(Value)>。键（Key）被声明为const以确保不可修改，只有(value)才能被修改。

为什么要有pair？

从数据访问的角度，在前面的二叉搜索树实现的过程中，我们通常是将key和value放在一个结点里面，要访问结点里面key或value只能通过这个结点去访问，但是如果我们结点里存的是一个pair那么拿到一个pair就能同时得到key和value的值，这样可以明确的表示这两个数据的关联性，避免键和值单独管理。也有利于数据的访问。

2.1map的构造和迭代器

对于map的构造我们关注以下几个接口即可：

代码示例：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
void test_map1()
{
	//无参默认构造
	map<string, string> dict;
	//初始化列表构造
	map<string, string> dict1 = { {"left","左边"},{"right","右边"},{"sort","排序"} };
	//拷贝构造
	map<string, string> dict2(dict1);
	//迭代器区间构造
	map<string, string> dict3(dict1.begin(), dict1.end());
}

2、map的迭代器

map的迭代器是一个双向迭代器，所以map 支持正向和反向迭代遍历 ，默认按照 key 的升序顺序遍历，这是因为其底层采用二叉搜索树结构，迭代器遍历遵循中序遍历方式。由于支持迭代器，map 自然也支持范围 for 。需要注意的是： map 允许修改 value 数据，但禁止修改 key 数据，因为修改关键字会破坏底层搜索树的结构。

代码示例：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
void test_map2()
{
	
	//初始化列表构造
	map<string, string> dict1 = { {"left","左边"},{"right","右边"},{"sort","排序"} };
	//正向遍历
	for (auto& e : dict1)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;

	//反向迭代
	auto it = dict1.rbegin();
	while (it != dict1.rend())
	{
		//map中的key是不能被修改的 只有value能被修改
		//(*it).first = "xxx";//key不能被修改！！！
		//(*it).second = "xxxx";
		cout << (*it).first << ":" << (*it).second << " ";
		//cout << it->first << ":" << it->second<< " ";

		it++;
	}
	cout << endl;


	for (auto&[k, v] : dict)
	{
		cout << k<< ":" << v<< endl;
	}

	// 结构化绑定 C++14/17
	auto [x, y] = kv1;
	auto& [x1, y1] = kv1;
	x1 += 'x';
	x += 'k';
}

2.2 map的增删查操作

1、插入数据

map的插入接口主要掌握以下几个接口：

代码示例：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
void test_map3()
{
	//map底层其实存的是pair(键值对)
	pair<string, string> kv1("left", "左边");
	pair<string, string> kv2("right", "右边");
	pair<string, string> kv3("sort", "排序");
	pair<string, string> kv4("const", "常量");
	map<string, string> dict = { kv1,kv2,kv3,kv4 };

	dict.insert({"left","哈哈"});//若键'left'已经存在则插入失败
	dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));//插入一个pair
		dict.insert(make_pair("hello", "你好"));//插入还可以使用make_pair
	dict.insert({ "people","人" });//隐式类型转化

	//列表插入
	auto pos=dict.begin();
	dict.insert(pos,{"English","英文"});

	vector<pair<string,string>> v={{"k1","v1"},{"k2","v2"},{"k3","v3"}};

	//迭代器区间插入
	dict.insert(v.begin(),v.end());

	for(const auto& e:dict )
	{
		cout<<e.first<<":"<<e.second<<" ";
	}
	cout<<endl;
}

2、find/count和erase


代码示例：

cpp 复制代码 
void test_map4()
{
	string arr[] = {"苹果" ,"香蕉","梨","草莓","香蕉","梨" ,"苹果","梨","苹果"};
	map<string, int> m;

	for (auto& str : arr)
	{
		//map<string, int>::iterator it = m.find(str);
		auto it = m.find(str);
		if (it != m.end())
		{
			//找到了 就加加
			it->second++;
		}
		else
		{
			//没找到就插入
			m.insert({str,1});
		}

	}
	for (auto& e : m)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;

	string arr2[] = { "苹果" ,"香蕉","梨","草莓","香蕉","梨" ,"苹果","梨","苹果" };
	map<string, int> m2;
	//使用count也可以代替find
	for (auto& e : arr)
	{
		
		if (m2.count(e))
		{
			//如果元素已经存在 ++该key对应的value值即可
			m2[e]++;//operator[]的使用会在后面介绍
		}
		else
		{
			//没找到就插入
			m2.insert({ e,1 });
		}
	}

	for (auto& e : m2)
	{
		cout << e.first <<":" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
	
	//删除一个指定的key
	m.erase("草莓");
	for (auto& e : m)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;

	//删除一个迭代器位置的key 注意key被删除了那么value也跟着直接被删除了！！！
	auto pos = m.find("香蕉");
	if (pos != m.end())
	{
		m.erase(pos);
	}
	for (auto& e : m)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;

	//删除一段迭代器区间的key
	m2.erase(m2.begin(), m2.end());
}

运行结果：

3、lower_bound和upper_bound的使用

lower_bound：返回指向第一个不小于给定键的元素的迭代器。如果键不存在，返回指向第一个大于该键的元素。
upper_bound：返回指向第一个大于给定键的元素的迭代器。

代码示例：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
void test_map5()
{
	map<int, string> m = { {1,"a"},{2,"b"},{3,"c"},{5,"e"},{4,"d"},{6,"f"}};
	auto pos1 = m.lower_bound(2);
	auto pos2 = m.upper_bound(4);

	while (pos1 != pos2)
	{
		cout << pos1->first << ":" << pos1->second << " ";
		pos1++;
	}
	cout << endl;


	auto pos3 = m.lower_bound(2);
	//可以删除这段区间的值 注意不能再用上面的pos1了因为pos已经改变了
	m.erase(pos3, pos2);
	for (auto& e : m)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
}

运行结果：

4、map的operator[]的使用

访问或插入元素： 当使用map[key]时，若key已存在，返回对应的值（value）的引用；若key不存在，则自动插入一个key到map中，其值通过默认构造函数初始化，并返回该值的引用。
非const限定： 只能用于非const的map对象，因为可能修改map内容(修改某个key对应的value)。

代码示例：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
void test_map6()
{
	map<string, string> dict = { {"left", "左边"}, {"right", "右边"}, {"insert", "插入"},{ "string", "字符串" } };

	//=======================================================================
	// 1、如果k不在map中，insert会插⼊k和mapped_type默认值，同时[]返回结点中存储
	//mapped_type值的引⽤，那么我们可以通过引⽤修改返映射值。所以[]具备了插⼊+修改功能
	//2、如果k在map中，insert会插⼊失败，但是insert返回pair对象的first是指向key结点的
	//迭代器，返回值同时[]返回结点中存储mapped_type值的引⽤，所以[]具备了查找+修改的功能
	//=======================================================================
	dict["set"]; // 插入一个空字符，string的无参构造不传参构造出一个空字符串
	dict["set"] = "集合"; // 修改
	dict["string"] = "xxxx"; // 修改
	dict["begin"] = "开始"; // 插入+修改
	//cout << dict["set"] << endl; // 查找
	

	string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜","苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& str : arr)
	{
		//直接使用operator[] 如果key在那么就对key的value++ 如果key不在那就直接插入
		countMap[str]++;
	}

	//结构化绑定
	for (auto& [k, v] : countMap)
	{
		cout << k << ":" << v << endl;
	}
}

值得注意的是： 在之前讲插入的时候，insert的参数为value_type类型，而value_typde在map中被typedef为了一个pair，而insert的返回值又是一个pair，注意这两个pair其实是不一样的 ！！！ ⼀个是map底层红黑树节点中存的pair<key, T>，另⼀个是insert返回值pair<iterator,bool> 下面画图分析：


说明：

  1. 如果key已经在map中，插入失败 ，则返回⼀个pair<iterator,bool>对象，返回pair对象first是key所在结点的迭代器，second是false。
  2. 如果key不在在map中，插入成功 ，则返回⼀个pair<iterator,bool>对象，返回pair对象first是新插⼊key所在结点的迭代器，second是true。
  3. 也就是说无论插入成功还是失败，返回pair<iterator,bool>对象的first都会指向key所在的迭代器 。那么也就意味着insert插⼊失败时充当了查找的功能，正是因为这⼀点，insert可以用来实现operator[]。

2.4multimap的使用

map：存储键值对（key-value），每个键唯一，不允许重复键。底层通常实现为红黑树，保证元素有序（按键排序）。
multimap：允许重复键，多个键可以关联不同值。同样基于红黑树实现，保持有序性。其它的特性均与map一样。

值得注意的是： 由于multimap支持数据重复，所以multimap就不⽀持[]，因为⽀持key冗余，[]就只能支持插入了，不能⽀持修改，没有意义。

代码示例：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
void test_multimap()
{

	multimap<string, string> dict = { {"left", "左边"}, {"right", "右边"}, {"insert", "插入"},{ "string", "字符串" } };
	//插入相同的key
	dict.insert({"apple", "苹果"});
	dict.insert({ "apple", "haha" });
	dict.insert({ "apple", "hehe" });
	dict.insert({ "string", "xxxx" });


	dict.erase("apple");//删除指定的key相应的value也会被直接删除
	auto pos = dict.find("string");
	if(pos != dict.end())
	{
		dict.erase(pos);
	}



	for (auto& e : dict)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;

}

三、总结

map 和 multimap 对比总结

特性 map multimap
键唯一性 键必须唯一 键可重复
插入操作 重复键插入会失败或覆盖 允许重复键插入
底层实现 红黑树（有序） 红黑树（有序）
查找效率 O(log n) O(log n)
头文件 <map> <map>
典型用途 字典、一对一映射 一对多映射（如学生成绩分组）
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