《C++Primer》第十一章 关联容器

简介

标准库提供8个关联容器：

• map：关联数组
• set：只保存关键字
• multimap：关键字可重复出现的map
• multiset：关键字可重复出现的set
• unordered_map：用哈希函数组织的map
• unordered_set：用哈希函数组织的set
• unordered_multimap：哈希组织的multimap
• unordered_multiset：哈希组织的multiset

1. 定义关联容器

可以通过列表初始化的方式定义map或者set：

set<string> exclude = {"the", "but", "and", "or", "an", "a"};
map<string, string> authors = { {"Joyce", "James"}, {"Austen", "Jane"}, "Dickens", "Charles" }

2. 关键字类型的要求

对于有序容器，关键字类型必须定义元素比较的方法。默认情况下，标准库使用关键字类型的<运算符来比较两个关键字。

3. pair类型

pair定义在头文件utility中，保存两个数据成员：

pair<string, size_t> word_count;

pair的数据成员是public的，两个成员分别被命名为first与seconnd，pair的操作包括：

• pair<T1, T2> p;：两个类型T1和T2构造了pair，执行值初始化
• pair<T1, T2> p(v1, v2);：first和second分别用v1和v2初始化
• pair<T1, T2> p = {v1, v2};：作用同上
• make_pair(v1, v2)：返回一个用v1和v2初始化的pair，类型自动推断
• p.first, p.second：返回p的共有数据成员
• p1 relop p2：关系运算符<, >, <=, >=按字典序定义
• p1 == p2, p1 != p2：当first和second分别相等时，两个pair相等

关联容器操作

C++中用下面这些类型表示容器关键字和值的类型：

• key_type：关键字类型
• mapped_type：每个关键字关联的类型，仅用于map
• value_type：对于set与key_type相同，对于map，为pair<const key_type, mapped_type>

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：

• 对于map是一个pair，我们不能改变first成员的const关键字
• 虽然set同时定义了iterator和const_iterator类型，但这两种类型都只允许只读set中的元素但不能修改

使用迭代器可以遍历map：

auto map_it = word_count.cbegin();

while (map_it != word_count.cend()) {
    cout << map_it->first << " occurs "
         << map_it->second << " times" << endl;
    ++map_it; // 递增迭代器, 移动到下一个元素
}

注意我们通常不对关联容器使用泛型算法，一方面是因为关键字是const这一特性意味着我们不能将关联容器传递给修改或者重排容器元素的算法；另一方面虽然关联容器可用于只读取元素的算法，但是这类算法很多都需要搜索序列，由于关联容器不支持通过关键字进行快速查找，因此使用泛型搜索算法几乎总是一个坏主意。

在实际编程中，如果我们真的要对一个关联容器使用算法，要么是将它当做一个源序列，要么当做一个目的位置。比如使用copy算法将元素从一个关联容器拷贝到另一个序列，类似的可以用inserter将一个插入器绑定到一个关联容器从而将关联容器作为一个目的位置来调用另一个算法。

2. 添加元素

// set
vector<int> ivec = {2, 4, 6, 8, 2, 4, 6, 8};
set<int> set2; // 构造空集合
set2.insert(ivec.cbegin(), ivec.cend()); // set2包含四个元素：2, 4, 6, 8
set2.insert({1, 3, 5, 7, 1, 3, 5, 7});   // set2包含8个元素: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

// map使用insert的四种方法
word_count.insert({word, 1});
word_count.insert(make_pair(word, 1));
word_count.insert(pair<string, size_t>(word, 1));
word_count.insert(map<string, size_t>::value_type(word, 1));

关联容器支持的insert操作如下：

• c.insert(v)：v是value_type类型的对象
• c.emplace(args)：args用来构造一个元素
• c.insert(b ,e)：b和e表示一个c::value_type类型值的迭代器范围
• c.insert(il)：il是初始化列表
• c.insert(p, v)：将迭代器p作为一个提示从哪里开始搜索新元素应该存储的位置
• c.emplace(p, args)：同上

insert或emplace返回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，其first成员是一个迭代器指向具有给定关键字的元素，其second成员是一个bool值表示元素是插入成功还是已经存在于容器中。对于允许重复关键字的容器，接收单个元素的insert操作返回指向新元素的迭代器而不会返回bool值。

3. 删除元素

• c.erase(k)：从c中删除每个关键字为k的元素，返回一个size_type的值表示删除的元素的数量
• c.erase(p)：从c中删除迭代器p指定的元素，返回一个指向p之后元素的迭代器
• c.erase(b, e)：删除迭代器对b和e所表示范围中的元素，返回e

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类型因为没有与关键字相关联的“值”，因此不支持下标。对一个map使用下标时，如果该关键字不在容器中，那么会添加一个具有此关键字的元素到map中。

• c[k]：返回关键字为k的元素，如果找不到的话则添加一个关键字为k的元素并对其进行值初始化
• c.at(k)：访问关键字为k的元素，如果查找不到的话抛出out_of_range异常

5. 访问元素

在关联容器中查找元素的操作包括：

• c.find(k)：返回一个迭代器，指向第一个关键字为k的元素
• c.count(k)：返回关键字等于k元素的数量
• 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，如果不存在的话则pair的两个成员都等于c.end()

在使用中我们需要注意：

• 由于在关键字不存在的情况下使用下标操作会在map中插入一个新元素，因此对于map最好用find替代下标操作
• 对于允许重复关键字的容器查找给定关键字，则可以通过find和count打印这些相邻存储的元素：

string search_item("Alain de Botton");     // 要查找的作者
auto entries = authors.count(search_item); // 元素的数量
auto iter = authors.find(search_item);     // 此作者的第一本书
// 通过循环遍历该作者的书
while(entries) {
    cout << iter->second << endl;
    ++iter;
    --entries;
}

• 如果关键字在容器中，那么lower_bound返回的迭代器指向第一个具有给定关键字的元素，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。如果lower_bound和upper_bound指向同一个迭代器的话，那么说明给定的关键字不在容器中。

for (auto beg = authrors.lower_bound(search_item),
        end = authors.upper_bound(search_item);
        beg != end; ++beg)
    cout << beg->second << endl;

• equal_bound可以接受一个关键字并返回一个迭代器pair。若关键字存在则第一个迭代器指向第一个与关键字匹配的元素，第二个迭代器指向最后一个匹配元素之后的位置。若未找到匹配元素，则这两个迭代器都指向关键字可以插入的位置。

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

无序容器

新标准定义了4个无序关联容器，这些容器不是使用比较运算符来组织元素，而是使用一个哈希函数hash function和关键字类型的==运算符。

1. 管理桶

无须容器在存储上组织为一组桶，每个桶保存零个或者多个元素。无序容器使用一个哈希函数将元素映射到桶。为了访问一个元素，首先计算元素的哈希值然后决定搜索哪个桶。因此，无序容器的性能依赖于哈希函数的质量和桶的大小。

• 计算一个元素的哈希值和在桶中搜索通常都是很快的操作
• 如果一个桶中能够保存了很多元素，那么查找一个特定元素就需要大量比较操作

2. 无序容器管理操作

桶接口：

• c.bucket_count()：正在使用的桶的数目
• c.max_bucket_count()：容器能容纳的最多的桶数量
• c.bucker_size(n)：第n个桶有几个元素
• c.bucket(k)：关键字为k的元素在哪个桶中

桶迭代：

• local_iterator：可以用来访问桶中元素的迭代器类型
• const_local_iterator：桶迭代器的const版本
• c.begin(n), c.end(n)：桶n的首元素迭代器和尾后迭代器
• c.cbegin(n), c.cend(n)：同上，但是返回const_local_iterator

哈希策略：

• c.local_factor()：每个桶的平均元素数量，返回float值
• c.max_load_factor()：c试图维护的平均桶大小，返回float值。c会在需要的时候添加新的桶，使得local_factor<=max_local_factor
• c.rehash(n)：重新存储，使得bucket_count>=n且bucket_count>size/max_load_factor
• c.reserve(n)：重新存储，使得c可以保存n个元素而不必rehash

3. 无序容器对关键字类型的要求

默认情况下无序容器使用关键字类型的==运算符来比较元素，还使用一个hash<key_type>类型的对象来生成每个元素的哈希值。标准库为内置类型(包括指针)和一些标准库类型(string和智能指针)等类型定义了hash模板。因此我们可以直接定义关键字是内置类型(包括指针)、string和智能指针等类型的无序容器。