【C/C++】详解关联容器map的使用

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🚩 撰写作者：左手の明天

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📆 最近更新：2024 年 05 月 26 日，左手の明天的第 331 篇原创博客

📚 更新于专栏：C/C++入门与进阶

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一、引言

关联容器map是STL（Standard Template Library，标准模板库）中的一个重要组件，它提供了一对一的数据处理能力。在map中，每个元素都是一个关键字-值（key-value）对，其中关键字起到索引的作用，而值则表示与索引相关联的数据。这种特性使得map在处理一对一数据时，能够在编程上提供快速通道。

map内部自建一棵红黑树（一种非严格意义上的平衡二叉树），这颗树具有对数据自动排序的功能，因此map内部的所有数据都是有序的。这种有序性为数据的查找、插入和删除等操作提供了便利。

在map中，关键字是唯一的，每个关键字在map中只能出现一次。而值是可以修改的，可以通过关键字来访问和修改与之对应的值。此外，map还支持下标访问符，通过在[]中放入关键字，可以找到与该关键字对应的值。

总的来说，关联容器map是一个功能强大的数据结构，它能够在处理一对一数据时提供高效的数据处理能力，并在编程中提供便捷的操作方式。

二、Map的构造函数

map的构造函数有多种形式，包括匿名对象构造、有名构造、多参数构造函数的隐式类型转换等。在插入数据时，可以使用insert函数插入pair数据或value_type数据，也可以使用数组方式插入数据。需要注意的是，当使用insert函数插入数据时，如果map中已存在相同的关键字，则插入操作不会生效；而使用数组方式插入数据时，如果关键字已存在，则会覆盖以前该关键字对应的值。

std::map在C++标准库中有多个构造函数，允许你以不同的方式初始化map对象。以下是一些常见的std::map构造函数及其用法：

2.1 默认构造函数

默认构造函数创建一个空的map。

std::map<int, std::string> myMap;

2.2 复制构造函数

复制构造函数允许你从一个已存在的map对象创建一个新的map对象。

std::map<int, std::string> myMap1;
myMap1[1] = "one";
myMap1[2] = "two";std::map<int, std::string> myMap2(myMap1); // 使用myMap1初始化myMap2

2.3 初始化列表构造函数

使用初始化列表可以直接在构造函数中初始化map的元素。

std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"},{2, "two"},{3, "three"}
};

或者C++11及以后的语法：

std::map<int, std::string> myMap{{1, "one"},{2, "two"},{3, "three"}
};

2.4 迭代器范围的构造函数

你可以使用一对迭代器来从一个已存在的容器（如数组、另一个map、vector等）初始化map。

std::pair<int, std::string> array[] = {{1, "one"},{2, "two"},{3, "three"}
};std::map<int, std::string> myMap(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

2.5 分配器构造函数

分配器构造函数允许你使用一个自定义的分配器来管理map的内存。这在需要控制内存分配和释放时特别有用。

std::allocator<std::pair<const int, std::string>> alloc;
std::map<int, std::string> myMap(alloc);

在实际使用中，你通常会使用默认构造函数或初始化列表构造函数来创建和初始化map对象。例如，当你需要快速创建一个具有固定键值对的map时，初始化列表构造函数非常方便。

记住，由于map是有序的，所以当你使用初始化列表或迭代器范围构造函数时，键值对的顺序将影响最终map中元素的顺序。如果你使用默认的比较函数（std::less<Key>），元素将按照键的升序排列。如果你提供了自定义的比较函数，元素将根据该比较函数的逻辑排序。

三、Map的基本操作函数

C++ Maps是一种关联式容器，包含“关键字/值”对，如下表：

操作函数	含义
begin()	返回指向map头部的迭代器
clear(）	删除所有元素
count()	返回指定元素出现的次数
empty()	如果map为空则返回true
end()	返回指向map末尾的迭代器
equal_range()	返回特殊条目的迭代器对
erase()	删除一个元素
find()	查找一个元素
get_allocator()	返回map的配置器
insert()	插入元素
key_comp()	返回比较元素key的函数
lower_bound()	返回键值>=给定元素的第一个位置
max_size()	返回可以容纳的最大元素个数
rbegin()	返回一个指向map尾部的逆向迭代器
rend()	返回一个指向map头部的逆向迭代器
size()	返回map中元素的个数
swap()	交换两个map
value_comp()	返回比较元素value的函数
upper_bound()	返回键值>给定元素的第一个位置

四、Map的实现

Map是存储键值对的数据结构，它提供了一种方便的方法来访问和操作这些键值对。在C语言中，可以使用哈希表来实现Map。Map提供了以下基本操作：

插入：将一个新的键值对插入到Map中。
查找：根据键查找对应的值。
删除：删除指定的键值对。
更新：修改指定键的值。
大小：返回Map中存储的键值对的数量。
遍历：遍历Map中的所有键值对。

在C++中，std::map是一个关联容器，它存储的元素都是键值对（key-value），并且根据键的值自动排序。每个键在map中只能出现一次，键不能修改，但对应的值可以修改。map的底层结构通常是用红黑树实现的，因此map中的元素总是有序的。

下面是使用std::map的基本步骤：

4.1 包含头文件

首先，你需要包含<map>头文件来使用std::map。

#include <map>

4.2 定义和创建map对象

你可以使用std::map模板来定义和创建map对象。你需要指定键和值的类型。

std::map<int, std::string> myMap;  // 定义一个map，键是int类型，值是std::string类型

4.3 插入元素

你可以使用insert()函数来插入元素。通常，你可以使用std::make_pair来创建一个键值对，并将其插入到map中。

myMap.insert(std::make_pair(1, "one"));
myMap.insert(std::make_pair(2, "two"));

或者，你可以直接使用[]运算符来插入或修改元素（如果键已存在，则修改对应的值；如果键不存在，则插入新的键值对）。

myMap[3] = "three"; // 插入键为3，值为"three"的键值对

4.4 访问元素

你可以使用[]运算符或at()函数来访问元素。如果键不存在于map中，at()会抛出异常，而[]会创建一个新的元素。

std::string value = myMap[1]; // 访问键为1的元素的值
std::string value2 = myMap.at(2); // 另一种访问元素的方式

4.5 遍历map

你可以使用迭代器来遍历map中的所有元素。

for (std::map<int, std::string>::iterator it = myMap.begin(); it != myMap.end(); ++it) {std::cout << "Key: " << it->first << ", Value: " << it->second << std::endl;
}

或者使用基于范围的for循环（C++11及以后版本）：

for (const auto& kv : myMap) {std::cout << "Key: " << kv.first << ", Value: " << kv.second << std::endl;
}

4.6 删除元素

你可以使用erase()函数来删除元素。

myMap.erase(1); // 删除键为1的元素

4.7 查找元素

你可以使用find()函数来检查元素是否存在。find()函数返回一个迭代器指向键值为key的元素，如果没找到就返回指向map尾部的迭代器。

auto it = myMap.find(1);
if (it != myMap.end()) {std::cout << "Element found with key 1." << std::endl;
} 
else {std::cout << "Element not found." << std::endl;
}

这些是std::map的基本用法。在实际编程中，你可能还需要了解更多关于map的高级用法，比如自定义比较函数、使用emplace()函数插入元素等。你可以查阅C++标准库文档或相关教程来获取更多信息。

4.8 map中swap的用法：

Map中的swap不是一个容器中的元素交换，而是两个容器交换；

#include <map>
#include <iostream>using namespace std;int main( )
{map <int, int> m1, m2, m3;map <int, int>::iterator m1_Iter;m1.insert ( pair <int, int> ( 1, 10 ) );m1.insert ( pair <int, int> ( 2, 20 ) );m1.insert ( pair <int, int> ( 3, 30 ) );m2.insert ( pair <int, int> ( 10, 100 ) );m2.insert ( pair <int, int> ( 20, 200 ) );m3.insert ( pair <int, int> ( 30, 300 ) );cout << "The original map m1 is:";for ( m1_Iter = m1.begin( ); m1_Iter != m1.end( ); m1_Iter++ )cout << " " << m1_Iter->second;cout << "." << endl;// This is the member function version of swap//m2 is said to be the argument map; m1 the target mapm1.swap( m2 );cout << "After swapping with m2, map m1 is:";for ( m1_Iter = m1.begin( ); m1_Iter != m1.end( ); m1_Iter++ )cout << " " << m1_Iter -> second;cout << "." << endl;cout << "After swapping with m2, map m2 is:";for ( m1_Iter = m2.begin( ); m1_Iter != m2.end( ); m1_Iter++ )cout << " " << m1_Iter -> second;cout << "." << endl;// This is the specialized template version of swapswap( m1, m3 );cout << "After swapping with m3, map m1 is:";for ( m1_Iter = m1.begin( ); m1_Iter != m1.end( ); m1_Iter++ )cout << " " << m1_Iter -> second;cout << "." << endl;
}

4.9 map的sort问题：

Map中的元素是自动按key升序排序,所以不能对map用sort函数：

#include <map>
#include <iostream>using namespace std;int main( )
{map <int, int> m1;map <int, int>::iterator m1_Iter;m1.insert ( pair <int, int> ( 1, 20 ) );m1.insert ( pair <int, int> ( 4, 40 ) );m1.insert ( pair <int, int> ( 3, 60 ) );m1.insert ( pair <int, int> ( 2, 50 ) );m1.insert ( pair <int, int> ( 6, 40 ) );m1.insert ( pair <int, int> ( 7, 30 ) );cout << "The original map m1 is:"<<endl;for ( m1_Iter = m1.begin( ); m1_Iter != m1.end( ); m1_Iter++ )cout << m1_Iter->first<<" "<<m1_Iter->second<<endl;
}

The original map m1 is:

1 20

2 50

3 60

4 40

6 40

7 30

五、Map定义自定义比较函数

在std::map中定义自定义比较函数是通过向std::map模板的第三个参数传递一个比较对象来实现的。这个比较对象通常是一个函数对象（也称为仿函数）或者Lambda表达式，它需要重载operator()来定义两个元素之间的比较逻辑。

下面是使用自定义比较函数的std::map的几种方式：

5.1 使用函数对象（仿函数）

首先，定义一个比较函数对象：

struct MyComparator {bool operator()(const int& a, const int& b) const {// 定义比较逻辑，这里假设我们要按照降序排列return a > b;}
};

然后，使用这个比较函数对象来创建std::map：

std::map<int, std::string, MyComparator> myMap;

5.2 使用Lambda表达式（C++11及以后）

在C++11及更高版本中，你可以使用Lambda表达式作为比较函数：

auto comp = [](const int& a, const int& b) {// 定义比较逻辑return a > b;
};std::map<int, std::string, decltype(comp)> myMap(comp);

注意这里使用了decltype(comp)来自动推断比较函数的类型。

5.3 使用标准库函数对象

有时，你可能不需要完全自定义比较逻辑，而是想要对map中的键进行某种转换后再比较。在这种情况下，你可以使用标准库提供的函数对象适配器，如std::greater<>或std::less<>，配合自定义的键转换函数。但是，这通常是通过自定义比较函数对象来实现的，其中内部使用这个转换函数。

示例：降序排列的`std::map`

假设想要一个按照键的降序排列的std::map：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>int main() {// 使用自定义比较函数对象创建降序排列的mapstd::map<int, std::string, std::greater<int>> myMap;myMap[3] = "three";myMap[1] = "one";myMap[2] = "two";// 遍历map，显示键值对for (const auto& kv : myMap) {std::cout << "Key: " << kv.first << ", Value: " << kv.second << std::endl;}return 0;
}

在这个例子中，使用了std::greater<int>作为比较函数对象，它会使std::map按照键的降序排列。