ACM-C++STL新增容器

本文最后更新于：December 3, 2021 pm

介绍记录STL提供新增加的容器，记录其用法和一些相关的函数。

array 容器是 C++ 11 标准中新增的序列容器，简单地理解，它就是在 C++ 普通数组的基础上，添加了一些成员函数和全局函数。在使用上，它比普通数组更安全，且效率并没有因此变差。和其它容器不同，array 容器的大小是固定的，无法动态的扩展或收缩，这也就意味着，在使用该容器的过程无法借由增加或移除元素而改变其大小，它只允许访问或者替换存储的元素。
array 容器以类模板的形式定义在头文件，并位于命名空间 std 中。如下：

namespace std{
    template <typename T, size_t N>
    class array;
}

注意：在 array<T,N> 类模板中，T 用于指明容器中的存储的具体数据类型，N 用于指明容器的大小，需要注意的是，这里的 N 必须是常量，不能用变量表示。
array 容器有多种初始化方式，如下代码展示了如何创建具有 10 个 double 类型元素的 array 容器：

1	`std::array<double, 10> values;`

如果程序中已经默认指定了 std 命令空间，这里可以省略 std::。
这样就创建好了一个名为 values 的 array 容器，其包含 10 个浮点型元素。但是，由于未显式指定这 10 个元素的值，因此使用这种方式创建的容器中，各个元素的值是不确定的（array 容器不会做默认初始化操作）。

通过如下创建 array 容器的方式，可以将所有的元素初始化为 0 或者和默认元素类型等效的值：

1	`std::array<double, 10> values {}; //容器中所有的元素都会被初始化为 0.0。`

在创建 array 容器的实例时，也可以像创建常规数组那样对元素进行初始化：

1	`std::array<double, 10> values {0.5,1.0,1.5,2.0};`

这里只初始化了前 4 个元素，剩余的元素都会被初始化为 0.0。

除此之外，array 容器还提供有很多功能实用的成员函数，

成员函数	功能
begin()	返回指向容器中第一个元素的随机访问迭代器。
end()	返回指向容器最后一个元素之后一个位置的随机访问迭代器，通常和 begin() 结合使用。
rbegin()	返回指向最后一个元素的随机访问迭代器。
rend()	返回指向第一个元素之前一个位置的随机访问迭代器。
cbegin()	和 begin() 功能相同，只不过在其基础上增加了 const 属性，不能用于修改元素。
cend()	和 end() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
crbegin()	和 rbegin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
crend()	和 rend() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
size()	返回容器中当前元素的数量，其值始终等于初始化 array 类的第二个模板参数 N。
max_size()	返回容器可容纳元素的最大数量，其值始终等于初始化 array 类的第二个模板参数 N。
empty()	判断容器是否为空，和通过 size()==0 的判断条件功能相同，但其效率可能更快。
at(n)	返回容器中 n 位置处元素的引用，该函数自动检查 n 是否在有效的范围内，如果不是则抛出 out_of_range 异常。
front()	返回容器中第一个元素的直接引用，该函数不适用于空的 array 容器。
back()	返回容器中最后一个元素的直接应用，该函数同样不适用于空的 array 容器。
data()	返回一个指向容器首个元素的指针。利用该指针，可实现复制容器中所有元素等类似功能。
fill(val)	将 val 这个值赋值给容器中的每个元素。
array1.swap(array2)	交换 array1 和 array2 容器中的所有元素，但前提是它们具有相同的长度和类型。

除此之外，C++ 11 标准库还新增加了 begin() 和 end() 这 2 个函数，和 array 容器包含的 begin() 和 end() 成员函数不同的是，标准库提供的这 2 个函数的操作对象，既可以是容器，还可以是普通数组。当操作对象是容器时，它和容器包含的 begin() 和 end() 成员函数的功能完全相同；如果操作对象是普通数组，则 begin() 函数返回的是指向数组第一个元素的指针，同样 end() 返回指向数组中最后一个元素之后一个位置的指针（注意不是最后一个元素）。

在头文件中还重载了 get() 全局函数，该重载函数的功能是访问容器中指定的元素，并返回该元素的引用。正是由于 array 容器中包含了 at() 这样的成员函数，使得操作元素时比普通数组更安全。

部分成员函数演示运用代码：

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;
int main()
{
    std::array<int, 4> values{};
    //初始化 values 容器为 {0,1,2,3}
    for (int i = 0; i < values.size(); i++) {
        values.at(i) = i;
    }
    //使用 get() 重载函数输出指定位置元素
    cout << get<3>(values) << endl;
    //如果容器不为空，则输出容器中所有的元素
    if (!values.empty()) {
        for (auto val = values.begin(); val < values.end(); val++) {//auto 关键字，可以使编译器自动判定变量的类型。
            cout << *val << " ";
        }
    }
}
//输出结果
3
0 1 2 3

当 array 容器创建完成之后，最常做的操作就是获取其中的元素，甚至有时还会通过循环结构获取多个元素。

访问元素

1.访问array容器中单个元素

可以通过容器名[]的方式直接访问和使用容器中的元素，这和 C++ 标准数组访问元素的方式相同，比如：

1	`values[4] = values[3] + 2.0*values[1];`

第 5 个元素的值被赋值为右边表达式的值。需要注意的是，使用如上这样方式，由于没有做任何边界检查，所以即便使用越界的索引值去访问或存储元素，也不会被检测到。

为了能够有效地避免越界访问的情况，可以使用 array 容器提供的 at() 成员函数，例如 :

1	`values.at (4) = values.at(3) + 2.0*values.at(1);`

和前一行语句实现的功能相同，其次当传给 at() 的索引是一个越界值时，程序会抛出 std::out_of_range 异常。因此当需要访问容器中某个指定元素时，建议大家使用 at()，除非确定索引没有越界。

为什么 array 容器在重载 [] 运算符时，没有实现边界检查的功能呢？
因为性能。如果每次访问元素，都去检查索引值，无疑会产生很多开销。当不存在越界访问的可能时，就能避免这种开销。

除此之外，array 容器还提供了 get 模板函数，它是一个辅助函数，能够获取到容器的第 n 个元素。需要注意的是，该模板函数中，参数的实参必须是一个在编译时可以确定的常量表达式，所以它不能是一个循环变量。也就是说，它只能访问模板参数指定的元素，编译器在编译时会对它进行检查。

使用 get 模板函数代码：

#include <iostream>
#include <array>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
    array<string, 5> words{ "one","two","three","four","five" };
    cout << get<3>(words) << endl; // Output words[3]
    //cout << get<6>(words) << std::endl; //越界，会发生编译错误
    return 0;
}
//运行结果
four

另外，array 容器提供了 data() 成员函数，通过调用该函数可以得到指向容器首个元素的指针。通过该指针，我们可以获得容器中的各个元素，例如：

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;
int main()
{
    array<int, 5> words{1,2,3,4,5};
    cout << *( words.data()+1);
    return 0;
}
//运行结果
2

2.访问array容器中多个元素

array 容器提供的 size() 函数能够返回容器中元素的个数（函数返回值为 size_t 类型），例子：计算求和：

double total = 0;
for(size_t i = 0 ; i < values.size() ; ++i)
{
    total += values[i];
}

size() 函数的存在，为 array 容器提供了标准数组所没有的优势，即能够知道它包含多少元素。

并且，接受数组容器作为参数的函数，只需要通过调用容器的成员函数 size()，就能得到元素的个数。除此之外，通过调用 array 容器的 empty() 成员函数，即可知道容器中有没有元素（如果容器中没有元素，此函数返回 true），如下所示：

if(values.empty())
    std::cout << "The container has no elements.\n";
else
    std::cout << "The container has "<< values.size()<<"elements.\n";

然而，很少会创建空的 array 容器，因为当生成一个 array 容器时，它的元素个数就固定了，而且无法改变，所以生成空 array 容器的唯一方法是将模板的第二个参数指定为 0，但这种情况基本不可能发生。

array 容器之所以提供 empty() 成员函数的原因，对于其他元素可变或者元素可删除的容器（例如 vector、deque 等）来说，它们使用 empty() 时的机制是一样的，因此为它们提供了一个一致性的操作。

除了借助 size() 外，对于任何可以使用迭代器的容器，都可以使用基于范围的循环，因此能够更加简便地计算容器中所有元素的和，比如：

1
2
3

double total = 0;
for(auto&& value : values)
    total += value;

综合案例：

#include <iostream>
#include <iomanip> 
#include <array>
using namespace std;
int main()
{
    array<int, 5> values1;
    array<int, 5> values2;
    //初始化 values1 为 {0,1,2,3,4}
    for (size_t i = 0; i < values1.size(); ++i)
    {
        values1.at(i) = i;
    }
    cout << "values1[0] is : " << values1[0] << endl;
    cout << "values1[1] is : " << values1.at(1) << endl;
    cout << "values1[2] is : " << get<2>(values1) << endl;
    //初始化 values2 为{10，11，12，13，14}
    int initvalue = 10;
    for (auto& value : values2)
    {
        value = initvalue;
        initvalue++;
    }
    cout <<  "Values1 is : ";
    for (auto i = values1.begin(); i < values1.end(); i++) {
        cout << *i << " ";
    }
    cout << endl << "Values2 is : ";
    for (auto i = values2.begin(); i < values2.end(); i++) {
        cout << *i << " ";
    }
    return 0;
}
//运行结果
values1[0] is : 0
values1[1] is : 1
values1[2] is : 2
Values1 is : 0 1 2 3 4
Values2 is : 10 11 12 13 14

2.forward_list容器

forward_list 是 C++ 11 新添加的一类容器，其底层实现和 list 容器一样，采用的也是链表结构，只不过 forward_list 使用的是单链表，而 list 使用的是双向链表。
使用链表存储数据最大的特点在于，其并不会将数据进行集中存储（向数组那样），换句话说，链表中数据的存储位置是分散的、随机的，整个链表中数据的线性关系通过指针来维持。

forward_list 容器具有和 list 容器相同的特性，即擅长在序列的任何位置进行插入元素或删除元素的操作，但对于访问存储的元素，没有其它容器（如 array、vector）的效率高。
由于单链表没有双向链表那样灵活，因此相比 list 容器，forward_list 容器的功能受到了很多限制。比如，由于单链表只能从前向后遍历，而不支持反向遍历，因此 forward_list 容器只提供前向迭代器，而不是双向迭代器。这意味着，forward_list 容器不具有 rbegin()、rend() 之类的成员函数。

既然 forward_list 容器具有和 list 容器相同的特性，list 容器还可以提供更多的功能函数，forward_list 容器有什么存在的必要呢？
虽然forward_list 容器底层使用单链表，也不是一无是处。比如，存储相同个数的同类型元素，单链表耗用的内存空间更少，空间利用率更高，并且对于实现某些操作单链表的执行效率也更高。
效率高是选用 forward_list 而弃用 list 容器最主要的原因，换句话说，只要是 list 容器和 forward_list 容器都能实现的操作，应优先选择 forward_list 容器。

1.forward_list容器的创建

由于 forward_list 容器以模板类 forward_list（T 为存储元素的类型）的形式被包含在头文件中，并定义在 std 命名空间中。std 命名空间也可以在使用 forward_list 容器时额外注明，两种方式都可以。

1.创建一个没有任何元素的空 forward_list 容器：

1	`std::forward_list<int> values;//由于 forward_list 容器在创建后也可以添加元素，因此这种创建方式很常见。`

2.创建一个包含 n 个元素的 forward_list 容器：

1	`std::forward_list<int> values(10);//通过此方式创建 values 容器，其中包含 10 个元素，每个元素的值都为相应类型的默认值（int类型的默认值为 0）。`

3.创建一个包含 n 个元素的 forward_list 容器，并为每个元素指定初始值。

1	`std::forward_list<int> values(10, 5);//创建了一个包含 10 个元素并且值都为 5 个 values 容器。`

4.在已有 forward_list 容器的情况下，通过拷贝该容器可以创建新的 forward_list 容器。

1
2
3

std::forward_list<int> value1(10);
std::forward_list<int> value2(value1);
//采用此方式，必须保证新旧容器存储的元素类型一致。

5.通过拷贝其他类型容器（或者普通数组）中指定区域内的元素，可以创建新的 forward_list 容器。

//拷贝普通数组，创建forward_list容器
int a[] = { 1,2,3,4,5 };
std::forward_list<int> values(a, a+5);
//拷贝其它类型的容器，创建forward_list容器
std::array<int, 5>arr{ 11,12,13,14,15 };
std::forward_list<int>values(arr.begin()+2, arr.end());//拷贝arr容器中的{13,14,15}

2.forward_list容器支持的成员函数

成员函数	功能
before_begin()	返回一个前向迭代器，其指向容器中第一个元素之前的位置。
begin()	返回一个前向迭代器，其指向容器中第一个元素的位置。
end()	返回一个前向迭代器，其指向容器中最后一个元素之后的位置。
cbefore_begin()	和 before_begin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
cbegin()	和 begin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
cend()	和 end() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改元素。
empty()	判断容器中是否有元素，若无元素，则返回 true；反之，返回 false。
max_size()	返回容器所能包含元素个数的最大值。这通常是一个很大的值，一般是 232-1，所以我们很少会用到这个函数。
front()	返回第一个元素的引用。
assign()	用新元素替换容器中原有内容。
push_front()	在容器头部插入一个元素。
emplace_front()	在容器头部生成一个元素。该函数和 push_front() 的功能相同，但效率更高。
pop_front()	删除容器头部的一个元素。
emplace_after()	在指定位置之后插入一个新元素，并返回一个指向新元素的迭代器。和 insert_after() 的功能相同，但效率更高。
insert_after()	在指定位置之后插入一个新元素，并返回一个指向新元素的迭代器。
erase_after()	删除容器中某个指定位置或区域内的所有元素。
swap()	交换两个容器中的元素，必须保证这两个容器中存储的元素类型是相同的。
resize()	调整容器的大小。
clear()	删除容器存储的所有元素。
splice_after()	将某个 forward_list 容器中指定位置或区域内的元素插入到另一个容器的指定位置之后。
remove(val)	删除容器中所有等于 val 的元素。
remove_if()	删除容器中满足条件的元素。
unique()	删除容器中相邻的重复元素，只保留一个。
merge()	合并两个事先已排好序的 forward_list 容器，并且合并之后的 forward_list 容器依然是有序的。
sort()	通过更改容器中元素的位置，将它们进行排序。
reverse()	反转容器中元素的顺序。

除此之外，C++ 11 标准库还新增加了 begin() 和 end() 这 2 个函数，和 forward_list 容器包含的 begin() 和 end() 成员函数不同，标准库提供的这 2 个函数的操作对象，既可以是容器，还可以是普通数组。当操作对象是容器时，它和容器包含的 begin() 和 end() 成员函数的功能完全相同；如果操作对象是普通数组，则 begin() 函数返回的是指向数组第一个元素的指针，同样 end() 返回指向数组中最后一个元素之后一个位置的指针（注意不是最后一个元素）。

forward_list 容器还有一个std::swap(x , y)非成员函数（其中 x 和 y 是存储相同类型元素的 forward_list 容器），它和 swap() 成员函数的功能完全相同，仅使用语法上有差异。

部分成员函数案例：

#include <iostream>
#include <forward_list>
using namespace std;
int main()
{
    std::forward_list<int> values{1,2,3};
    values.emplace_front(4);//{4,1,2,3}
    values.emplace_after(values.before_begin(), 5); //{5,4,1,2,3}
    values.reverse();//{3,2,1,4,5}
    for (auto it = values.begin(); it != values.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    return 0;
}
//结果输出
3 2 1 4 5

因为forward_list 容器中是不提供 size() 函数的，但如果想要获取 forward_list 容器中存储元素的个数，可以使用头文件中的 distance() 函数。例如：

#include <iostream>
#include <forward_list>
#include <iterator>
using namespace std;
int main()
{
    std::forward_list<int> my_words{1,2,3,4};
    int count = std::distance(std::begin(my_words), std::end(my_words));
    cout << count;
    return 0;
}
//输出结果
4

并且，forward_list 容器迭代器的移动除了使用 ++ 运算符单步移动，还能使用 advance() 函数，比如：

#include <iostream>
#include <forward_list>
using namespace std;
int main()
{
    std::forward_list<int> values{1,2,3,4};
    auto it = values.begin();
    advance(it, 2);
    while (it!=values.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    return 0;
}
//输出结果
3 4

二.无序关联式容器

除了序列式容器和关联式容器之外，C++ 11 标准库又引入了一类容器，即无序关联式容器。
无序关联式容器，又称哈希容器。和关联式容器一样，此类容器存储的也是键值对元素；不同之处在于，关联式容器默认情况下会对存储的元素做升序排序，而无序关联式容器不会。和其它类容器相比，无序关联式容器擅长通过指定键查找对应的值，而遍历容器中存储元素的效率不如关联式容器。
基于底层实现采用了不同的数据结构，因此和关联式容器相比，无序容器具有以下 2 个特点：

1.无序容器内部存储的键值对是无序的，各键值对的存储位置取决于该键值对中的键，
2.和关联式容器相比，无序容器擅长通过指定键查找对应的值（平均时间复杂度为 O(1)）；但对于使用迭代器遍历容器中存储的元素，无序容器的执行效率则不如关联式容器。

和关联式容器一样，无序容器只是一类容器的统称，其包含有 4 个具体容器，分别为 unordered_map、unordered_multimap、unordered_set 以及 unordered_multiset。

无序容器	功能
unordered_map	存储键值对 <key, value> 类型的元素，其中各个键值对键的值不允许重复，且该容器中存储的键值对是无序的。
unordered_multimap	和 unordered_map 唯一的区别在于，该容器允许存储多个键相同的键值对。
unordered_set	不再以键值对的形式存储数据，而是直接存储数据元素本身（当然也可以理解为，该容器存储的全部都是键 key 和值 value 相等的键值对，正因为它们相等，因此只存储 value 即可）。另外，该容器存储的元素不能重复，且容器内部存储的元素也是无序的。
unordered_multiset	和 unordered_set 唯一的区别在于，该容器允许存储值相同的元素。

以上 4 种无序容器的名称，仅是在前面所学的 4 种关联式容器名称的基础上，添加了 “unordered_”。如果已经学完了 map、multimap、set 和 multiset 容器不难发现，以 map 和 unordered_map 为例，其实它们仅有一个区别，即 map 容器内存会对存储的键值对进行排序，而 unordered_map 不会。

C++ 11 标准的 STL 中，在已提供有 4 种关联式容器的基础上，又新增了各自的“unordered”版本（无序版本、哈希版本），提高了查找指定元素的效率。

总的来说，实际场景中如果涉及大量遍历容器的操作，建议首选关联式容器；反之，如果更多的操作是通过键获取对应的值，则应首选无序容器。

以 unordered_map 容器为例，用法：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建并初始化一个 unordered_map 容器，其存储的 <string,string> 类型的键值对
    std::unordered_map<std::string, std::string> my_uMap{
        {"C语言教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Python教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Java教程","https://lichengloong.com/"} };
    //查找指定键对应的值，效率比关联式容器高
    string str = my_uMap.at("C语言教程");
    cout << "str = " << str << endl;
    //使用迭代器遍历哈希容器，效率不如关联式容器
    for (auto iter = my_uMap.begin(); iter != my_uMap.end(); ++iter)
    {
        //pair 类型键值对分为 2 部分
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}
//输出结果
str = https://lichengloong.com/
C语言教程 https://lichengloong.com/
Python教程 https://lichengloong.com/
Java教程 https://lichengloong.com/

1.unordered_map容器

unordered_map 容器在头文件中，并位于 std 命名空间中。
unordered_map 容器，直译过来就是”无序 map 容器”的意思。所谓“无序”，指的是 unordered_map 容器不会像 map 容器那样对存储的数据进行排序。换句话说，unordered_map 容器和 map 容器仅有一点不同，即 map 容器中存储的数据是有序的，而 unordered_map 容器中是无序的。
对于已经学过 map 容器的，可以将 unordered_map 容器等价为无序的 map 容器。

具体来讲，unordered_map 容器和 map 容器一样，以键值对（pair类型）的形式存储数据，存储的各个键值对的键互不相同且不允许被修改。但由于 unordered_map 容器底层采用的是哈希表存储结构，该结构本身不具有对数据的排序功能，所以此容器内部不会自行对存储的键值对进行排序。

unordered_map 容器模板的定义如下所示：

template < class Key,                        //键值对中键的类型
           class T,                          //键值对中值的类型
           class Hash = hash<Key>,           //容器内部存储键值对所用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,       //判断各个键值对键相同的规则
           class Alloc = allocator< pair<const Key,T> >  // 指定分配器对象的类型
           > class unordered_map;

以上 5 个参数中，必须显式给前 2 个参数传值，并且除特殊情况外，最多只需要使用前 4 个参数，各自的含义和功能如表所示。

参数	含义
<key,T>	前 2 个参数分别用于确定键值对中键和值的类型，也就是存储键值对的类型。
Hash = hash	用于指明容器在存储各个键值对时要使用的哈希函数，默认使用 STL 标准库提供的 hash 哈希函数。注意，默认哈希函数只适用于基本数据类型（包括 string 类型），而不适用于自定义的结构体或者类。
Pred = equal_to	要知道，unordered_map 容器中存储的各个键值对的键是不能相等的，而判断是否相等的规则，就由此参数指定。默认情况下，使用 STL 标准库中提供的 equal_to 规则，该规则仅支持可直接用 == 运算符做比较的数据类型。

总的来说，当无序容器中存储键值对的键为自定义类型时，默认的哈希函数 hash 以及比较函数 equal_to 将不再适用，只能自己设计适用该类型的哈希函数和比较函数，并显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数。

1.1创建方法

常见的创建 unordered_map 容器的方法有以下几种。

通过调用 unordered_map 模板类的默认构造函数，可以创建空的 unordered_map 容器。比如：
1
std::unordered_map<std::string, std::string> umap;
这样就创建好了一个可存储 <string,string> 类型键值对的 unordered_map 容器。

在创建 unordered_map 容器的同时，可以完成初始化操作。比如：

std::unordered_map<std::string, std::string> umap{
    {"Python教程","https://lichengloong.com/"},
    {"Java教程","https://lichengloong.com/"},
    {"Linux教程","https://lichengloong.com/"} };

此方法创建的 umap 容器中，就包含有 3 个键值对元素。

另外，还可以调用 unordered_map 模板中提供的复制（拷贝）构造函数，将现有 unordered_map 容器中存储的键值对，复制给新建 unordered_map 容器。
在第二种方式创建好 umap 容器的基础上，再创建并初始化一个 umap2 容器：
1
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(umap);
由此，umap2 容器中就包含有 umap 容器中所有的键值对。

除此之外，C++ 11 标准中还向 unordered_map 模板类增加了移动构造函数，即以右值引用的方式将临时 unordered_map 容器中存储的所有键值对，全部复制给新建容器。例如：

//返回临时 unordered_map 容器的函数
std::unordered_map <std::string, std::string > retUmap(){
    std::unordered_map<std::string, std::string>tempUmap{
        {"Python教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Java教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Linux教程","https://lichengloong.com/"} };
    return tempUmap;
}
//调用移动构造函数，创建 umap2 容器
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(retUmap());

无论是调用复制构造函数还是拷贝构造函数，必须保证 2 个容器的类型完全相同。

如果不想全部拷贝，可以使用 unordered_map 类模板提供的迭代器，在现有 unordered_map 容器中选择部分区域内的键值对，为新建 unordered_map 容器初始化。例如：
1
2
//传入 2 个迭代器， std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(++umap.begin(),umap.end());
通过此方式创建的 umap2 容器，其内部就包含 umap 容器中除第 1 个键值对外的所有其它键值对。

1.2 unordered_map容器的成员方法

unordered_map 既可以看做是关联式容器，更属于自成一脉的无序容器。因此在该容器模板类中，既包含一些在学习关联式容器时常见的成员方法，还有一些属于无序容器特有的成员方法。

成员方法	功能
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。
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。
operator[key]	该模板类中重载了 [] 运算符，其功能是可以向访问数组中元素那样，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（如果 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，效率比 insert() 方法高。
emplace_hint()	向容器中添加新键值对，效率比 insert() 方法高。
insert()	向容器中添加新键值对。
erase()	删除指定键值对。
clear()	清空容器，即删除容器中存储的所有键值对。
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。
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。

注意的是，对于实现互换 2 个相同类型 unordered_map 容器的键值对，除了可以调用该容器模板类中提供的 swap() 成员方法外，STL 标准库还提供了同名的 swap() 非成员函数。

部分函数用法例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建空 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    //向 umap 容器添加新键值对
    umap.emplace("Python教程", "https://lichengloong.com/");
    umap.emplace("Java教程", "https://lichengloong.com/");
    umap.emplace("Linux教程", "https://lichengloong.com/");
    //输出 umap 存储键值对的数量
    cout << "umap size = " << umap.size() << endl;
    //使用迭代器输出 umap 容器存储的所有键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}
//输出结果
umap size = 3
Python教程 https://lichengloong.com/
Linux教程 https://lichengloong.com/
Java教程 https://lichengloong.com/

1.3 unordered_map迭代器的用法

C++ STL 标准库中，unordered_map 容器迭代器的类型为前向迭代器（又称正向迭代器）。这意味着，假设 p 是一个前向迭代器，则其只能进行 *p、p++、++p 操作，且 2 个前向迭代器之间只能用 == 和 != 运算符做比较。

unordered_map迭代器相关成员方法：

成员方法	功能
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。
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（如果 end() 方法返回的迭代器）。
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。

equal_range(key) 很少用于 unordered_map 容器，因为该容器中存储的都是键不相等的键值对，即便调用该成员方法，得到的 2 个迭代器所表示的范围中，最多只包含 1 个键值对。事实上，该成员方法更适用于 unordered_multimap 容器。

分成员方法的用法：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
        {"Python教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Java教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Linux教程","https://lichengloong.com/"} };
    cout << "umap 存储的键值对包括：" << endl;
    //遍历输出 umap 容器中所有的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << "<" << iter->first << ", " << iter->second << ">" << endl;
    }
    //获取指向指定键值对的前向迭代器
    unordered_map<string, string>::iterator iter = umap.find("Java教程");
    cout <<"umap.find(\"Java教程\") = " << "<" << iter->first << ", " << iter->second << ">" << endl;
    return 0;
}
//输出结果
umap 存储的键值对包括：
<Python教程, https://lichengloong.com/>
<Linux教程, https://lichengloong.com/>
<Java教程, https://lichengloong.com/>
umap.find("Java教程") = <Java教程, https://lichengloong.com/>

需要注意的是，在操作 unordered_map 容器过程（尤其是向容器中添加新键值对）中，一旦当前容器的负载因子超过最大负载因子（默认值为 1.0），该容器就会适当增加桶的数量（通常是翻一倍），并自动执行 rehash() 成员方法，重新调整各个键值对的存储位置（此过程又称“重哈希”），此过程很可能导致之前创建的迭代器失效。

所谓迭代器失效，针对的是那些用于表示容器内某个范围的迭代器，由于重哈希会重新调整每个键值对的存储位置，所以容器重哈希之后，之前表示特定范围的迭代器很可能无法再正确表示该范围。但是，重哈希并不会影响那些指向单个键值对元素的迭代器。

例如：

#include <iostream>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建 umap 容器
    unordered_map<int, int> umap;
    //向 umap 容器添加 50 个键值对
    for (int i = 1; i <= 50; i++) {
        umap.emplace(i, i);
    }
    //获取键为 49 的键值对所在的范围
    auto pair = umap.equal_range(49);
    //输出 pair 范围内的每个键值对的键的值
    for (auto iter = pair.first; iter != pair.second; ++iter) {
        cout << iter->first <<" ";
    }
    cout << endl;
    //手动调整最大负载因子数
    umap.max_load_factor(3.0);
    //手动调用 rehash() 函数重哈希
    umap.rehash(10);
    //重哈希之后，pair 的范围可能会发生变化
    for (auto iter = pair.first; iter != pair.second; ++iter) {
        cout << iter->first << " ";
    }
    return 0;
}
//输出结果
49
49 17

通过输出结果不难发现，之前用于表示键为 49 的键值对所在范围的 2 个迭代器，重哈希之后表示的范围发生了改变。

用于遍历整个容器的 begin()/end() 和 cbegin()/cend() 迭代器对，重哈希只会影响遍历容器内键值对的顺序，整个遍历的操作仍然可以顺利完成。

1.4 unordered_map获取元素的4种方法

1) unordered_map 容器类模板中，实现了对 [ ] 运算符的重载，使得我们可以像“利用下标访问普通数组中元素”那样，通过目标键值对的键获取到该键对应的值。

例如：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
        {"Python教程","https://lichengloong.com/1"},
        {"Java教程","https://lichengloong.com/2"},
        {"Linux教程","https://lichengloong.com/3"} };
    //获取 "Java教程" 对应的值
    string str = umap["Java教程"];
    cout << str << endl;
    return 0;
}
//输出结果
https://lichengloong.com/2

要注意的是，如果当前容器中并没有存储以 [ ] 运算符内指定的元素作为键的键值对，则此时 [ ] 运算符的功能将转变为：向当前容器中添加以目标元素为键的键值对。举个例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建空 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    //[] 运算符在 = 右侧
    string str = umap["STL教程"];
    //[] 运算符在 = 左侧
    umap["C教程"] = "https://lichengloong.com/";
   
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}
//输出结果
C教程 https://lichengloong.com/
STL教程

可以看见，当使用 [ ] 运算符向 unordered_map 容器中添加键值对时，分为 2 种情况：

1.当 [ ] 运算符位于赋值号（=）右侧时，则新添加键值对的键为 [ ] 运算符内的元素，其值为键值对要求的值类型的默认值（string 类型默认值为空字符串）；
2.当 [ ] 运算符位于赋值号（=）左侧时，则新添加键值对的键为 [ ] 运算符内的元素，其值为赋值号右侧的元素。

2) unordered_map 类模板中，还提供有 at() 成员方法，和使用 [ ] 运算符一样，at() 成员方法也需要根据指定的键，才能从容器中找到该键对应的值；

不同之处在于，如果在当前容器中查找失败，该方法不会向容器中添加新的键值对，而是直接抛出out_of_range异常。

例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
        {"Python教程","https://lichengloong.com/1"},
        {"Java教程","https://lichengloong.com/2"},
        {"Linux教程","https://lichengloong.com/3"} };
    //获取指定键对应的值
    string str = umap.at("Python教程");
    cout << str << endl;
    //执行此语句会抛出 out_of_range 异常
    //cout << umap.at("GO教程");
    return 0;
}
//输出结果
https://lichengloong.com/1

此程序中，第 12 行代码用于获取 umap 容器中键为“Python教程”对应的值，由于 umap 容器确实有符合条件的键值对，因此可以成功执行；而第 17 行代码，由于当前 umap 容器没有存储以“Go教程”为键的键值对，因此执行此语句会抛出 out_of_range 异常。

3) [ ] 运算符和 at() 成员方法基本能满足大多数场景的需要。除此之外，还可以借助 unordered_map 模板中提供的 find() 成员方法。

和前面方法不同的是，通过 find() 方法得到的是一个正向迭代器，该迭代器的指向分以下 2 种情况：

1.当 find() 方法成功找到以指定元素作为键的键值对时，其返回的迭代器就指向该键值对；
2.当 find() 方法查找失败时，其返回的迭代器和 end() 方法返回的迭代器一样，指向容器中最后一个键值对之后的位置。

例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
        {"Python教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Java教程","https://lichengloong.com/"},
        {"Linux教程","https://lichengloong.com/"} };
    //查找成功
    unordered_map<string, string>::iterator iter = umap.find("Python教程");
    cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    //查找失败
    unordered_map<string, string>::iterator iter2 = umap.find("GO教程");
    if (iter2 == umap.end()) {
        cout << "当前容器中没有以\"GO教程\"为键的键值对";
    }
    return 0;
}
//输出结果
Python教程 https://lichengloong.com/
当前容器中没有以"GO教程"为键的键值对

4) 除了 find() 成员方法之外，甚至可以借助 begin()/end() 或者 cbegin()/cend()，通过遍历整个容器中的键值对来找到目标键值对。

例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main(){
    //创建 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap{
        {"Python教程","https://lichengloong.com/1"},
        {"Java教程","https://lichengloong.com/2"},
        {"Linux教程","https://lichengloong.com/3"} };
    //遍历整个容器中存储的键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        //判断当前的键值对是否就是要找的
        if (!iter->first.compare("Java教程")) {
            cout << iter->second << endl;
            break;
        }
    }
    return 0;
}
//输出结果
https://lichengloong.com/2

前 2 种方法基本能满足多数场景的需要，建议首选 at() 成员方法！

ACM

本文作者: 墨水记忆
本文链接: https://tothefor.com/DragonOne/1770380764.html
版权声明: 本博客所有文章除特别声明外，均采用 CC BY-SA 4.0 协议，转载请注明出处！

ACM经典问题-N皇后问题 Previous

数据结构-前、中、后缀表达式 Next

目录

一.STL新增容器

1.array容器