std::set、std::map 和 std::unordered_map

在 C++ 标准库中，std::set、std::map 和 std::unordered_map 是常用的关联容器，但它们在实现方式、性能和应用场景上有显著差异。以下是它们的核心区别：

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1. 数据结构与有序性

• std::set / std::map
  基于 红黑树（Red-Black Tree） 实现，元素（或键值对）严格有序（按升序排列）。

  • std::set：存储唯一键值，仅键可被访问。
  • std::map：存储键值对，键唯一，通过键快速查找值。

• std::unordered_map
  基于 哈希表（Hash Table） 实现，元素无序。键唯一，通过哈希函数快速定位值。

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2. 时间复杂度

操作	std::set/std::map	std::unordered_map
插入	O(log n)	平均 O(1)，最坏 O(n)
删除	O(log n)	平均 O(1)，最坏 O(n)
查找	O(log n)	平均 O(1)，最坏 O(n)
范围查询（如 lower_bound）	O(log n + k)（k为结果数量）	不支持有序范围查询

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3. 内存占用

• 红黑树（set/map）
  内存占用相对较高，但结构紧凑，节点存储父节点、子节点指针和颜色标记。

• 哈希表（unordered_map）
  需要额外空间处理哈希冲突（如负载因子控制），通常内存占用更高，但实际访问速度更快。

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4. 迭代器稳定性

• std::set/std::map
  插入或删除元素时，只有被操作的节点的迭代器失效，其他迭代器不受影响。

• std::unordered_map
  插入可能导致哈希表 重新哈希（如扩容），此时所有迭代器都会失效。

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5. 允许重复键？

• 所有容器均不允许重复键。若插入重复键：
  • std::set/map：插入失败，返回 false。
  • std::unordered_map：覆盖旧值（可通过检查返回的 std::pair<bool, T&> 判断是否已存在）。

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6. 应用场景

• std::set
  需要唯一元素的有序集合，支持快速插入、删除和范围查询（如日期排序、唯一用户ID管理）。

• std::map
  需要键值对的有序映射，如配置项存储（键为字符串，值为整数）。

• std::unordered_map
  需要高速哈希查找的场景，如缓存系统、字典（键值对频繁访问且无需顺序）。

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示例代码对比

#include <iostream>
#include <set>
#include <map>
#include <unordered_map>

int main() {
    std::set<int> s = {3, 1, 4};
    std::map<std::string, int> m = {{"a", 1}, {"b", 2}};
    std::unordered_map<std::string, int> um = {{"x", 10}, {"y", 20}};

    // set 和 map 是有序的
    for (auto num : s) std::cout << num << " "; // 输出 1 3 4
    for (auto& kv : m) std::cout << kv.first << ": " << kv.second << " "; // a:1 b:2

    // unordered_map 无序
    for (auto& kv : um) std::cout << kv.first << ": " << kv.second << " "; 
    // 可能输出 x:y 或 y:x 等不确定顺序

    return 0;
}

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总结

• 有序、稳定、范围查询 → 选 set 或 map。
• 快速哈希查找 → 选 unordered_map。
• 内存敏感且数据量小 → 优先 set/map；大数据量且追求速度 → 选 unordered_map。