std::unorderd_map 简介

1. unorderd_map 简介

  • 1. unorderd_map 简介
    • 简介
    • 1.1. 实现原理
    • 1.2. 函数
    • 1.3. 问题集
      • 1.3.1. emplace、emplace_hint、insert 的区别
    • 1.4. 参考链接

简介

  • unordered_map 是 C++ 标准库中的一个容器，它定义在 <unordered_map> 头文件里。它借助哈希表来存储键值对，能快速查找、插入和删除元素
  • 快速查找：平均情况下，查找、插入和删除操作的时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)。不过在最坏情况下，例如哈希冲突严重时，时间复杂度会达到 O ( n ) O(n) O(n)。
  • 无序存储：unordered_map 不会按照键的顺序存储元素，元素的存储顺序由哈希函数决定。
  • 键的唯一性：每个键在 unordered_map 中是唯一的。若尝试插入已存在的键，新的值会覆盖旧的值。

1.1. 实现原理

  • 底层实现主要基于哈希表（Hash Table）
  1. 哈希函数
  • unordered_map 使用哈希函数将键转换为一个无符号整数，这个整数将作为数组的索引。
  • 对于基本数据类型（如 int、string 等），标准库已经提供了默认的哈希函数。
  • 但对于自定义类型，需要用户自己定义哈希函数。

例如，对于自定义类型 MyKey，可以这样定义哈希函数：

#include <functional>struct MyKey {int a;double b;// 重载相等运算符，用于比较键是否相等bool operator==(const MyKey& other) const {return a == other.a && b == other.b;}
};// 自定义哈希函数
struct MyKeyHash {std::size_t operator()(const MyKey& k) const {// 使用 std::hash 对不同成员进行哈希，然后组合auto h1 = std::hash<int>{}(k.a);auto h2 = std::hash<double>{}(k.b);return h1 ^ (h2 << 1);}
};
  1. 哈希桶（Bucket）
  • 哈希表通常由一个数组构成，数组中的每个元素称为一个哈希桶。
  • 每个哈希桶可以存储一个或多个键值对，当多个键通过哈希函数映射到同一个桶时，就会发生哈希冲突。
  1. 处理哈希冲突
  • 哈希冲突是指不同的键通过哈希函数映射到了同一个桶。
  • unordered_map 通常使用链地址法（Separate Chaining）来处理哈希冲突。
  • 在链地址法中，每个哈希桶实际上是一个链表（或其他容器，如红黑树），当发生哈希冲突时，新的键值对会被添加到对应的链表中。

以下是一个简单的示意图,哈希表数组:

+--------+--------+--------+
| Bucket0| Bucket1| Bucket2|
+--------+--------+--------+
| Node1  | Node3  | Node4  |
| Node2  |        |        |
+--------+--------+--------+

在这个示意图中，Bucket0 发生了哈希冲突，有两个键值对（Node1 和 Node2）被映射到了这个桶中，它们通过链表连接在一起。

  1. 插入操作
  • 向 unordered_map 中插入一个键值对时，会执行以下步骤：
  • 使用哈希函数计算键的哈希值。
  • 根据哈希值找到对应的哈希桶。
  • 检查该桶中是否已经存在相同的键，如果存在，则更新对应的值；如果不存在，则将新的键值对插入到桶中（通常是链表的头部）。
  1. 查找操作
  • 当查找一个键对应的值时，会执行以下步骤：
  • 使用哈希函数计算键的哈希值。
  • 根据哈希值找到对应的哈希桶。
  • 遍历该桶中的链表（或其他容器），查找是否存在与给定键相等的键。如果找到，则返回对应的值；如果未找到，则返回一个表示未找到的标记（如 end() 迭代器）。
  1. 删除操作
  • 删除操作与查找操作类似，首先找到对应的哈希桶，然后遍历桶中的链表，找到要删除的键值对并将其从链表中移除。
  1. 负载因子（Load Factor）和扩容
  • 负载因子是指哈希表中元素的数量与哈希桶数量的比值。
  • 当负载因子超过某个阈值（通常是 1.0）时，为了减少哈希冲突，提高查找效率，unordered_map 会进行扩容操作。
  • 扩容时，会创建一个更大的哈希表数组，然后将原有的键值对重新哈希到新的数组中。

总结:unordered_map 通过哈希表实现了快速的键值对查找、插入和删除操作。它使用哈希函数将键映射到哈希桶，通过链地址法处理哈希冲突，并在负载因子过高时进行扩容。这种实现方式使得 unordered_map 在平均情况下具有 O(1) 的时间复杂度。

1.2. 函数

  • 成员方法

  • 迭代器

    • begin 返回指向容器中第一个键值对的正向迭代器。
    • end 返回指向容器中最后一个键值对之后位置的正向迭代器。
    • cbegin 和 begin 功能相同，只不过在其基础上增加了 const 属性，即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
    • cend 和 end 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。

  • CRUD操作

    • operator[key] 该模板类中重载了 [] 运算符，只要给定某个键值对的键 key，就可以获取该键对应的值。注意，如果当前容器中没有以 key 为键的键值对，则其会使用该键向当前容器中插入一个新键值对。

    • at(key) 返回容器中存储的键 key 对应的值，如果 key 不存在，则会抛出 out_of_range 异常。

    • find(key) 查找以 key 为键的键值对，如果找到，则返回一个指向该键值对的正向迭代器；反之，则返回一个指向容器中最后一个键值对之后位置的迭代器（end 方法返回的迭代器）。

    • count(key) 在容器中查找以 key 键的键值对的个数。

    • equal_range(key) 返回一个 pair 对象，其包含 2 个迭代器，用于表明当前容器中键为 key 的键值对所在的范围。

    • emplace 向容器中添加新键值对，直接在容器内部构造元素，避免了不必要的拷贝或移动，效率比 insert 方法高。

    • emplace_hint 向容器中添加新键值对，接受一个迭代器 position 作为提示参数，用于提高插入效率，但提示错误可能会降低效率。

    • insert 向容器中添加新键值对，通常需要先构造好 value_type 对象，然后将其插入容器，可能会涉及额外的拷贝或移动操作。

    • erase 删除指定键值对。可以通过键、迭代器位置或迭代器范围来指定要删除的元素。

    • clear 清空容器，即删除容器中存储的所有键值对。

  • 属性

    • empty 若容器为空，则返回 true；否则 false。
    • size 返回当前容器中存有键值对的个数。
    • max_size 返回容器所能容纳键值对的最大个数，不同的操作系统，其返回值亦不相同。

  • 类函数

    • swap 交换 2 个 unordered_map 容器存储的键值对，前提是必须保证这 2 个容器的类型完全相等。

  • 底层 hash 相关函数

    • bucket_count 返回当前容器底层存储键值对时，使用桶（一个线性链表代表一个桶）的数量。
    • max_bucket_count 返回当前系统中，unordered_map 容器底层最多可以使用多少桶。
    • bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储键值对的数量。
    • bucket(key) 返回以 key 为键的键值对所在桶的编号。
    • load_factor 返回 unordered_map 容器中当前的负载因子。负载因子，指的是的当前容器中存储键值对的数量（size）和使用桶数（bucket_count）的比值，即 load_factor = size / bucket_count。
    • max_load_factor 返回或者设置当前 unordered_map 容器的负载因子。
    • rehash(n) 将当前容器底层使用桶的数量设置为 n。
    • reserve 将存储桶的数量（也就是 bucket_count 方法的返回值）设置为至少容纳count个元（不超过最大负载因子）所需的数量，并重新整理容器。
    • hash_function 返回当前容器使用的哈希函数对象。

1.3. 问题集

1.3.1. emplace、emplace_hint、insert 的区别

  • 构造方式:
    • insert:通常需要先构造好 value_type 对象，然后将其插入容器，可能会涉及额外的拷贝或移动操作。
    • emplace 和 emplace_hint:直接在容器内部构造元素，避免了不必要的拷贝或移动，效率更高。
  • 提示参数:
    • insert 和 emplace:不需要提示参数。
    • emplace_hint:接受一个迭代器作为提示参数，用于提高插入效率，但提示错误可能会降低效率。
  • 返回值:
    • insert 和 emplace:返回一个 std::pair<iterator, bool>，表示插入是否成功。
    • emplace_hint:返回一个指向新插入元素或已存在元素的迭代器。
#include <iostream>
#include <unordered_map>int main() {std::unordered_map<int, std::string> myMap;auto result = myMap.insert({1, "one"});if (result.second) {std::cout << "Inserted successfully." << std::endl;} else {std::cout << "Element already exists." << std::endl;}return 0;
}
int main() {std::unordered_map<int, std::string> myMap;auto result = myMap.emplace(2, "two");if (result.second) {std::cout << "Emplaced successfully." << std::endl;} else {std::cout << "Element already exists." << std::endl;}return 0;
}
int main() {std::unordered_map<int, std::string> myMap;auto hint = myMap.begin();auto it = myMap.emplace_hint(hint, 3, "three");std::cout << "Inserted key: " << it->first << ", value: " << it->second << std::endl;return 0;
}

1.4. 参考链接

  • C++ STL unordered_map容器用法详解

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