C++编程语言STL之map介绍_map stl

本文主要介绍C++编程语言的STL(Standard Template Library)中map容器及相关容器的相关知识，同时通过示例代码介绍这些容器的常见用法。

1 概述

关联容器（associative-container）和顺序容器有着根本的不同：关联容器中的元素是按关键字来保存和访问的，而顺序容器中的元素是按它们在容器中的位置来顺序保存和访问的。

虽然关联容器的很多行为与顺序容器相同，但其不同之处反映了关键字的作用。关联容器支持高效的关键字查找和访问。

两个主要的关联容器类型为map和set。map中的元素是一些“关键字-值对（key-value）”：“关键字”起索引的作用，“值”则表示与索引相关联的数据。set中每个元素只包含一个关键字。

2 map

2.1 特性

map的特性如下：

• 每个关键字只能出现一次；
• 默认按key的升序存储元素；
• 使用红黑树（red-black trees）作为底层数据结构。

2.2 常见用法

2.2.1 构造map

构造map的方法如下（以键值对为“int-string”类型为例）：

map<int, string> mapStudent;

2.2.2 插入元素

map提供了几种插入元素的方法。

使用insert函数插入pair数据：

mapStudent.insert(pair<int, string>(1, "zhao"));
mapStudent.insert(pair<int, string>(2, "qian"));
mapStudent.insert(pair<int, string>(3, "sun"));

使用数组方式插入数据：

mapStudent[1] = "zhao";
mapStudent[2] = "qian";
mapStudent[3] = "sun";

说明：上面的两种方法是有区别的，用insert函数插入数据，涉及到集合的唯一性的概念，即当map中有这个关键字时，insert操作是不能实现数据插入的；但是数组方式能够插入数据，插入的数据会覆盖该关键字之前对应的值。

2.2.3 遍历数据

可以通过map的迭代器iterator、调用map对象的begin()和end()函数，实现对于map中数据的遍历操作，示例代码如下：

// 遍历
cout << "content of map as followed: " << endl;
mapStudent_t::iterator iter;
for (iter = mapStudent.begin(); iter != mapStudent.end(); iter++)
{
    cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
}

说明：

1）begin()和end()两个成员函数，分别对应map对象中第一个和最后一个数据条目，这两个数据条目的类型是iterator；

2）通过map对象的方法获取到的iterator数据类型是一个“std::pair”对象，iterator数据类型包括下面两个数据：

• iterator->first: 关键字（key）
• iterator->second: 存储的数据（value）

2.2.4 查找元素

可以通过使用map的迭代器iterator、调用find函数（传入的参数为要查找的key），来查找具体的元素，示例代码如下：

// 查找
iter = mapStudent.find(2);
if (iter != mapStudent.end())
{
    cout << "Find it, the relative value is: " << iter->second << endl;
}
else
{
    cout << "Can not find the relative value." << endl;
}

说明：find函数的入参为map的key，并且入参必须完全匹配map的key，才能找到对应元素的value。例如，对于以下map结构：

mapStudent.insert(pair<string, string>("zhao", "zhaoyun"));

如果要查找该map中的元素，必须在find函数中输入完整的key（即“zhao”）才行，如果输入的入参为“zh”、或“zha”，都不能找到该元素。

2.2.5 删除数据

对于map中的数据删除操作，分为以下两种情况：

1）如果想要清空map中的所有数据，可以使用clear函数；

2）如果想要删除map中的指定数据，可以通过使用map的迭代器iterator、调用erase函数来实现，示例代码如下：

// 删除
iter = mapStudent.find(3);
mapStudent.erase(iter);

2.3 示例程序

2.3.1 示例程序1

此处展示一个输出map结构内容的示例代码。代码（map_test1.cpp）内容如下：

#include <iostream>
#include <map>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    // <int, string>结构的map
    typedef std::map<int, string> mapStudent_t;
    mapStudent_t mapStudent;
 
    mapStudent.insert(pair<int, string>(1, "zhao"));
    mapStudent.insert(pair<int, string>(2, "qian"));
    mapStudent.insert(pair<int, string>(3, "sun"));
 
    // map简单的输出方法
    cout << "mapStudent[1] is: " << mapStudent[1] << endl;
    cout << "mapStudent[3] is: " << mapStudent[3] << endl;
 
    // <string, string>结构的map
    typedef std::map<string, string> mapRole_t;
    mapRole_t mapRole;
 
    mapRole.insert(pair<string, string>("mage", "alliance"));
    mapRole.insert(pair<string, string>("paladin", "alliance"));
    mapRole.insert(pair<string, string>("warlock", "Horde"));
 
    // map简单的输出方法
    cout << "mapRole[\"mage\"] is: " << mapRole["mage"] << endl;
    cout << "mapRole[\"warlock\"] is: " << mapRole["warlock"] << endl;
 
    return 0;
}
 

编译并执行上述代码，结果如下：

2.3.2 示例程序2

示例代码（map_test2.cpp）内容如下：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    typedef std::map<int, string> mapStudent_t;
    mapStudent_t mapStudent;
 
    mapStudent.insert(pair<int, string>(1, "zhao"));
    mapStudent.insert(pair<int, string>(2, "qian"));
    mapStudent.insert(pair<int, string>(3, "sun"));
 
    // 遍历
    cout << "content of map as followed: " << endl;
    mapStudent_t::iterator iter;
    for (iter = mapStudent.begin(); iter != mapStudent.end(); iter++)
    {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
 
    // 查找
    iter = mapStudent.find(2);
    if (iter != mapStudent.end())
    {
        cout << "Find it, the relative value is: " << iter->second << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Can not find the relative value." << endl;
    }
 
    // 删除
    iter = mapStudent.find(3);
    mapStudent.erase(iter);
 
    // 再次遍历，观察删除操作是否成功
    cout << "after delete, content of map as followed: " << endl;
    for (iter = mapStudent.begin(); iter != mapStudent.end(); iter++)
    {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    
    return 0;
}

上述代码运行结果如下：

3 unordered_map

C++标准库提供了四个无序关联容器（unordered associated container），这些容器不是使用比较运算符，而是使用一个哈希函数（hash function）和关键字类型的“==”运算符来组织元素。

在关键字类型的元素没有明显的“序关系”的情况下，无序容器是非常有用的。在某些应用中，维护元素的序的代价非常高昂，此时无序容器也很有用。

unordered_map就是C++标准库提供的四个无序关联容器之一。

3.1 特性

unordered_map的特性如下：

• 每个关键字（key）只能出现一次；
• 根据key的哈希值将元素存储在指定位置，因此存储的元素是无序的；
• 使用哈希表（Hash Table）作为底层数据结构。

3.2 常见用法

3.2.1 构造unordered_map

构造unordered_map的方法如下（以key和value均为char类型为例）：

unordered_map<char, char> unoMap;

3.2.2 插入元素

可以通过[]运算符来执行插入元素操作，示例代码如下：

unoMap['a'] = 'b';

说明：如果key对应的value存在，则执行更新元素操作，否则执行添加元素操作。

3.2.3 查找元素

可以通过使用unordered_map的迭代器iterator、调用find函数（传入的参数为要查找的key），来查找具体的元素，示例代码如下：

// 查找
if (mapStudent.find(2) != mapStudent.end())
{
    ...
}

此外，也可以通过[]运算符来执行查找元素操作，示例代码如下：

char chValue = unoMap['a'];

3.2.4 计算字符串中各个字符出现的次数

利用unordered_map计算字符串中各个字符出现的次数，示例代码如下：

string strDemo = "aabcccc";
unordered_map<char, int> unoMap;
for (auto ch:strDemo) {
    // unoMap[ch]即为ch字符对应的出现次数
    unoMap[ch]++;
}

3.2.5 查看元素出现的次数

查询某元素在unordered_map中出现的次数，方法如下（返回0或1）：

m.count(i)

4 关于有序与无序

STL默认提供的map是“有序”的（即“map”），同时也提供了对应的“无序”版本（即“unordered_map”）。

对于map容器来说，存储于其中的元素是否有序，只会在使用迭代器iterator等场景下对我们有影响，而当我们使用“key-value”获取元素内容时，容器是否有序是无影响的。

下面给出一个简单的示例代码：

#include <map>
#include <unordered_map>
#include <iostream>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    map<int, char> Map;
    Map[1] = 'a';
    Map[2] = 'b';
    Map[3] = 'c';
    Map[4] = 'd';
    Map[5] = 'e';
 
    cout << "the Map output is: " << endl;
    for (auto i = Map.begin(); i != Map.end(); i++) {
        std::cout << i->first << ' ' << i->second << std::endl;
    }   
    cout << "Map[2] is: " << Map[2] << endl;
 
    unordered_map<int, char> unoMap;
    unoMap[1] = 'a';
    unoMap[2] = 'b';
    unoMap[3] = 'c';
    unoMap[4] = 'd';
    unoMap[5] = 'e';
        
    cout << "the unordered_map output is: " << endl;
    for (auto i = unoMap.begin(); i != unoMap.end(); i++) {
        std::cout << i->first << ' ' << i->second << std::endl;
    }   
    cout << "unoMap[2] is: " << unoMap[2] << endl;
 
    return 0;
}

上方代码的运行结果如下：

从上述代码运行结果可以看出：

• 当使用迭代器iterator访问map容器中元素时，map与unordered_map结果不同，其中map是有序的，而unordered_map是无序的（似乎是倒序，待确认）；
• 使用下标法获取元素值时，无论map容器中元素是否有序，都可以获取到正确的结果。