C++ 入门第 20 天：STL 容器之无序集合与无序多重集合

往期回顾：

C++ 入门17：STL 容器之映射（map）与多重映射（multimap）_-优快云博客

C++ 入门18：STL 容器之栈（stack）与队列（queue）-优快云博客

C++ 入门19：STL 容器之优先队列（priority_queue）-优快云博客

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 C++ 入门第 20 天：STL 容器之无序集合与无序多重集合

一、前言

在之前的学习中，我们已经掌握了 set 和 multiset 容器，它们都是有序关联容器。但在某些场景下，我们并不关心元素的顺序，而是追求更高的性能。在这种情况下，C++ 提供了 无序容器，例如 unordered_set 和 unordered_multiset，它们的底层基于 哈希表（Hash Table） 实现，能够以常数时间完成插入、删除和查找操作。

1. 无序集合（unordered_set）

unordered_set 是一个 无序关联容器，用于存储不重复的元素。与 set 不同，unordered_set 的元素没有顺序，它的主要特点是：

1. 底层实现：基于哈希表，操作效率高。
2. 唯一性：不允许重复元素。
3. 平均时间复杂度：插入、删除、查找的时间复杂度为 O(1)O(1)O(1)。

1.1 基本操作

以下是 unordered_set 的常用操作：

成员函数	功能说明
insert(value)	插入元素
erase(value)	删除指定元素
find(value)	查找元素，返回迭代器
count(value)	检查某元素是否存在（返回 0 或 1）
size()	获取元素个数
empty()	检查容器是否为空

示例代码：基本操作 

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

int main() {
    // 定义一个无序集合
    unordered_set<int> us;

    // 插入元素
    us.insert(10);
    us.insert(20);
    us.insert(30);
    us.insert(10); // 重复元素将被忽略

    // 遍历集合
    cout << "Elements in unordered_set: ";
    for (int elem : us) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;

    // 查找元素
    if (us.find(20) != us.end()) {
        cout << "Element 20 is found in the unordered_set." << endl;
    }

    // 删除元素
    us.erase(10);
    cout << "After removing 10, elements in unordered_set: ";
    for (int elem : us) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

注意：输出的元素顺序与插入顺序无关，因为 unordered_set 使用哈希表存储数据。 

1.2 哈希表的特性

无序集合通过哈希函数将值映射到特定的存储位置。哈希表的效率依赖于：

1. 哈希函数：将值映射到存储位置。
2. 装载因子（load factor）：当前元素数量与桶数量的比值。过高时，哈希表会进行重新哈希（rehash）。

我们可以通过以下函数查看或修改哈希表的状态：

成员函数	功能说明
bucket_count()	返回桶的数量
load_factor()	返回装载因子
max_load_factor(f)	设置装载因子的上限
rehash(n)	强制重新哈希并至少设置 n 个桶

示例代码：查看哈希表状态

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

int main() {
    unordered_set<int> us = {10, 20, 30};

    cout << "Bucket count: " << us.bucket_count() << endl;
    cout << "Load factor: " << us.load_factor() << endl;

    // 强制重新哈希
    us.rehash(20);
    cout << "After rehash, bucket count: " << us.bucket_count() << endl;

    return 0;
}

2. 无序多重集合（unordered_multiset）

unordered_multiset 与 unordered_set 类似，不同点是：

1. 允许重复元素：可以插入多个值相同的元素。
2. 哈希表存储：仍然基于哈希表实现。

2.1 基本操作

unordered_multiset 的常用操作与 unordered_set 类似，但允许重复元素：

成员函数	功能说明
insert(value)	插入元素
erase(value)	删除指定元素
count(value)	返回某元素出现的次数

示例代码：无序多重集合

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

int main() {
    // 定义一个无序多重集合
    unordered_multiset<int> ums;

    // 插入元素
    ums.insert(10);
    ums.insert(20);
    ums.insert(10); // 允许重复

    // 遍历集合
    cout << "Elements in unordered_multiset: ";
    for (int elem : ums) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl; // 输出：10 20 10（顺序可能不同）

    // 查询某元素的出现次数
    cout << "Count of 10: " << ums.count(10) << endl;

    // 删除某个值的所有实例
    ums.erase(10);
    cout << "After removing 10, elements in unordered_multiset: ";
    for (int elem : ums) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

3. unordered_set 和 unordered_multiset 的性能分析

优点

1. 高效：基于哈希表实现，插入、删除、查找的平均时间复杂度为 O(1)O(1)O(1)。
2. 灵活：支持快速查找和重复值存储。

缺点

1. 顺序无保证：无法保证元素存储顺序，适合只关心内容的场景。
2. 哈希冲突：当冲突较多时，性能可能下降，接近 O(n)O(n)O(n)。

对比：set vs unordered_set

特性	set	unordered_set
底层结构	红黑树	哈希表
是否有序	有序	无序
查找时间复杂度	O(log⁡n)O(\log n)O(logn)	O(1)O(1)O(1)（平均情况）
插入、删除时间复杂度	O(log⁡n)O(\log n)O(logn)	O(1)O(1)O(1)（平均情况）

4. 实际应用场景

• 去重：unordered_set 适合需要去重但不关心顺序的场景，例如统计某一组数据中不重复的值。
• 频率统计：unordered_multiset 可以用来统计某些值的出现次数。
• 高效查找：在大规模数据中快速查找是否存在某元素。

  示例：统计字符串中单词出现次数

  使用 unordered_multiset 来统计一个字符串中单词的频率。

  示例代码

  #include <iostream>
  #include <unordered_set>
  #include <sstream>
  #include <string>
  using namespace std;
  
  int main() {
      string text = "hello world hello C++ world";
      unordered_multiset<string> wordCount;
  
      // 将字符串分割为单词
      stringstream ss(text);
      string word;
      while (ss >> word) {
          wordCount.insert(word);
      }
  
      // 输出每个单词的出现次数
      for (const string& w : wordCount) {
          cout << w << ": " << wordCount.count(w) << endl;
          wordCount.erase(w); // 删除已处理的单词
      }
  
      return 0;
  }
  

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  结语

  以上就是 C++ 标准模板库中的无序集合与无序多重集合的基础知识点了。这些无序容器通过哈希表实现，能够提供极高的操作效率，适用于需要快速查找、插入和删除的场景。掌握无序集合与无序多重集合的使用，基本上在开发中都会用到的，大家多看看，一定要掌握。

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