C++ 入门第 21 天：STL 容器之无序映射与无序多重映射

往期回顾：

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

C++ 入门第 20 天：STL 容器之无序集合与无序多重集合-优快云博客

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 C++ 入门第 21 天：STL 容器之无序映射与无序多重映射

一、前言

在前一节中，我们学习了无序集合（unordered_set）及其变种。在实际开发中，除了存储单个元素外，我们常常需要存储键值对（key-value）数据。例如，通过一个键快速找到对应的值。在 C++ 中，unordered_map 和 unordered_multimap 便是专门用于处理无序键值对的容器。

这两个容器基于哈希表实现，能够以平均 O(1)O(1)O(1) 的时间完成插入、删除和查找操作。

1. 无序映射（unordered_map）

unordered_map 是一个 无序关联容器，用于存储唯一键值对（key-value）。它的特点包括：

1. 底层实现：基于哈希表，效率高。
2. 键的唯一性：键（key）必须唯一。
3. 无序存储：键值对的存储顺序与插入顺序无关。

1.1 常用操作

以下是 unordered_map 的常用操作：

成员函数	功能说明
insert(pair<key, value>)	插入键值对
erase(key)	删除指定键对应的键值对
find(key)	查找键，返回对应迭代器
operator[]	通过键访问值（若不存在会自动插入）
size()	获取键值对的数量
empty()	检查容器是否为空

示例代码：基本操作

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

int main() {
    // 定义一个无序映射
    unordered_map<string, int> umap;

    // 插入键值对
    umap.insert({"Alice", 25});
    umap.insert({"Bob", 30});
    umap["Charlie"] = 20; // 使用[]操作符插入

    // 遍历容器
    cout << "Contents of unordered_map:" << endl;
    for (const auto& pair : umap) {
        cout << pair.first << ": " << pair.second << endl;
    }

    // 查找键
    if (umap.find("Alice") != umap.end()) {
        cout << "Alice's age: " << umap["Alice"] << endl;
    }

    // 删除键
    umap.erase("Bob");
    cout << "After removing Bob:" << endl;
    for (const auto& pair : umap) {
        cout << pair.first << ": " << pair.second << endl;
    }

    return 0;
}

输出结果（顺序可能不同）：

Contents of unordered_map:
Charlie: 20
Alice: 25
Bob: 30
Alice's age: 25
After removing Bob:
Charlie: 20
Alice: 25

1.2 注意事项

1. 自动插入行为：如果通过 [] 访问不存在的键，会自动插入该键，值初始化为默认值（如 int 为 0）。
2. 哈希冲突处理：unordered_map 使用开放地址法或链地址法解决冲突。
3. 重新哈希（rehash）：当装载因子过高时，会重新分配存储桶，导致性能下降。

2. 无序多重映射（unordered_multimap）

unordered_multimap 与 unordered_map 类似，但允许键重复。

2.1 常用操作

成员函数	功能说明
insert(pair<key, value>)	插入键值对
equal_range(key)	返回与某键相关的所有键值对的范围
count(key)	返回某键出现的次数

示例代码：无序多重映射

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

int main() {
    // 定义一个无序多重映射
    unordered_multimap<string, int> ummap;

    // 插入键值对
    ummap.insert({"Alice", 25});
    ummap.insert({"Bob", 30});
    ummap.insert({"Alice", 35}); // 允许重复键

    // 遍历容器
    cout << "Contents of unordered_multimap:" << endl;
    for (const auto& pair : ummap) {
        cout << pair.first << ": " << pair.second << endl;
    }

    // 查找某键的所有值
    auto range = ummap.equal_range("Alice");
    cout << "Values associated with Alice:" << endl;
    for (auto it = range.first; it != range.second; ++it) {
        cout << it->second << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

输出结果（顺序可能不同）：

Contents of unordered_multimap:
Alice: 25
Bob: 30
Alice: 35
Values associated with Alice:
25 35

3. unordered_map 和 unordered_multimap 的性能分析

优点

1. 高效操作：基于哈希表，插入、删除和查找操作的平均时间复杂度为 O(1)O(1)O(1)。
2. 灵活性强：支持键值对存储，方便快速检索和更新数据。

缺点

1. 无序存储：键值对的顺序与插入顺序无关，适合只关心内容的场景。
2. 哈希冲突：在哈希函数不理想或装载因子过高时，性能可能下降。
3. 占用内存多：哈希表存储需要额外的内存开销。

4. 实际应用场景

• 快速检索：通过键快速找到对应值，例如字典查询。
• 频率统计：统计某些键的出现次数（可用 unordered_multimap）。
• 缓存机制：用作缓存容器，通过键值快速检索数据。

示例：统计单词出现次数

题目描述

给定一段文本，统计每个单词出现的次数。

示例代码

#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string text = "hello world hello C++ world";
    unordered_map<string, int> wordCount;

    // 将字符串分割为单词
    stringstream ss(text);
    string word;
    while (ss >> word) {
        wordCount[word]++;
    }

    // 输出每个单词的出现次数
    cout << "Word frequencies:" << endl;
    for (const auto& pair : wordCount) {
        cout << pair.first << ": " << pair.second << endl;
    }

    return 0;
}

输出结果：

Word frequencies:
hello: 2
world: 2
C++: 1

5. unordered_map 和 map 的对比 

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

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结语

以上就是 C++ 标准模板库中的无序映射与无序多重映射的基础知识点了。这两种容器非常适合需要快速检索键值对数据的场景。理解它们的特性和使用方法，可以显著提升我们的代码效率。

都看到这里了，点个赞再走呗朋友~

加油吧，预祝大家变得更强！