今天你学C++了吗？——map

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前面我们已经学习了set容器的使用，接下来我们来看看map容器有什么奇妙之处？准备好了吗~我们发车去探索C++的奥秘啦~🚗🚗🚗🚗🚗🚗

目录

什么是map？

pair

什么是pair？

pair的组成

pair的构造与初始化

pair的成员函数

pair的比较

​编辑

pair的用途

map的构造

map的插入

​编辑

operator[ ]

at

multimap

equal_range

equal_range、lower_bound和upper_bound简单对比

1. equal_range

2. lower_bound

3. upper_bound

对比与联系

C++中map和set容器的简单对比

什么是map？

   map的声明定义了两种类型：Key和T。其中，Key是map底层使用的关键字（键）的类型，而T是与之对应的值（value）的类型。对于set（集合），默认情况下要求Key类型支持小于比较操作。如果Key类型不支持小于比较，或者需要自定义比较逻辑，可以通过传递一个仿函数（即自定义的比较函数对象）作为map的第二个模板参数来实现。

   map底层存储数据的内存是通过空间配置器分配的。在大多数情况下，我们不需要指定map的后两个模板参数（即比较函数和内存分配器），因为它们有默认的实现。map的底层实现是基于红黑树，红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，它能够在O(logN)的时间复杂度内完成增、删、查、改操作。我们使用迭代器遍历map时，会按照中序遍历的顺序进行，这意味着遍历将按照key的有序顺序进行。

map（映射）是一个关联容器，它存储的是键值对（key-value pairs）。每个键（key）在map中是唯一的，并且每个键都映射到一个值（value）。

• 特点：
  • 键是唯一的。
  • 自动按键排序（默认情况下，使用<运算符排序，但可以自定义排序规则）。
  • 查找、插入和删除操作的时间复杂度通常为O(log n)，因为map内部通常实现为红黑树。
• 用途：
  • 当你需要快速查找、插入和删除键值对时。
  • 当你需要存储唯一键的数据集时。

pair

什么是pair？

        在真正地探讨map之前，我们首先需要解决我们以前留下来的问题，什么是pair？

        C++标准库中，pair是一个模板类，用于存储一对值。这对值可以是任何类型，包括自定义类型。pair通常用于需要同时返回或存储两个相关数据的场景~

pair的组成

pair由两个成员组成：

• first：pair的第一个元素，可以是任何类型。
• second：pair的第二个元素，也可以是任何类型，并且不必与first的类型相同。

pair的构造与初始化

pair可以通过多种方式构造和初始化：

• 默认构造：创建一个pair对象，其first和second成员都被初始化为它们的默认值（通常是零或空指针，取决于类型）。
• 直接初始化：在构造pair对象时直接提供first和second的值。
• 列表初始化（C++11及以后）：使用花括号{}提供first和second的值。
• make_pair函数：使用std::make_pair函数可以方便地构造一个pair对象，而无需显式指定类型。

#include<utility>//pair头文件 void test1() { pair<int, string> p1;//默认构造 pair<int, string> p2(2, "Hello!");//直接初始化 pair<int, string> p3 = { 3,"Haha!" };//列表初始化 pair<int, string> p4 = make_pair(4, "Hehe!");//make_pair函数 cout << p1.first << " " << p1.second << endl; cout << p2.first << " " << p2.second << endl; cout << p3.first << " " << p3.second << endl; cout << p4.first << " " << p4.second << endl; }

pair的成员函数

pair提供了一些成员函数来访问和操作其成员：

• first和second：访问pair的first和second成员。
• operator=：赋值操作符，用于将一个pair对象的值赋给另一个pair对象。
• swap：交换两个pair对象的值。

void test2() { pair<int, string> p1;//默认构造 pair<int, string> p2(2, "Hello!");//直接初始化 pair<int, string> p3 = { 3,"Haha!" };//列表初始化 pair<int, string> p4 = make_pair(4, "Hehe!");//make_pair函数 p3 = p2;//支持赋值 p1.swap(p4);//支持交换 cout << p1.first << " " << p1.second << endl; cout << p2.first << " " << p2.second << endl; cout << p3.first << " " << p3.second << endl; cout << p4.first << " " << p4.second << endl; }

pair的比较

pair对象可以使用关系运算符（<, <=, >, >=, ==, !=）进行比较。比较是基于first成员的字典序进行的，如果first成员相等，则比较second成员。

void test3() { pair<int, string> p1;//默认构造 pair<int, string> p2(2, "Hello!");//直接初始化 pair<int, string> p3 = { 3,"Haha!" };//列表初始化 pair<int, string> p4 = make_pair(4, "Hehe!");//make_pair函数 pair<int, string> p5 = make_pair(4, "AAAA!");//make_pair函数 if (p2 > p3) cout << "p2 > p3" << endl; else cout << "p2 < p3" << endl; if (p4 < p5) cout << "p4 < p5" << endl; else cout << "p4 > p5" << endl; //first相等，比较second }

pair的用途

pair在C++编程中有多种用途，包括但不限于：

• 返回多个值：函数可以返回一个pair对象，从而同时返回两个值。
• 存储相关数据：在需要同时存储两个相关联的数据项时，可以使用pair。
• 作为其他容器的元素：pair可以作为其他容器（如vector, list, set等）的元素类型，用于存储键值对或其他成对的数据。

接下来我们的map就会大量使用pair~

        在map中，每个红黑树节点都存储一个pair<Key, T>对象。这允许map将键和值紧密地关联在一起，并有效地管理它们。当我们向map中插入一个元素时，实际上是在红黑树中插入一个新的节点，该节点包含一个pair<Key, T>对象，其中Key是我们要插入的键，T是与该键相关联的值。

map的构造

        map的构造涉及选择键和值的类型，并使用合适的构造函数。最常用的构造函数包括默认构造函数（创建空map）、拷贝构造函数（基于现有map创建新map），以及迭代器区间构造函数（基于迭代器指定的元素范围初始化map）。map的构造灵活，支持多种初始化方式，满足不同的编程需求。构造后的map提供高效的插入、删除和查找操作，时间复杂度为O(log n)。

map的插入

        map提供了insert成员函数，来进行插入，同样有多个版本，我们可以根据需要进行选择~



        我们可以看到第一个insert插入函数，返回值是一个pair<iterator,bool>,返回一个 pair，其中 first 是一个迭代器，指向插入的键值对，second 是一个布尔值，来表示插入是否成功~

void test4() { map<int, string> mymap; mymap.insert(pair<int, string>(1, "Hello!")); pair<int, string> p(2, "Haha!"); mymap.insert(p); mymap.insert(make_pair(3, "Hehe!")); mymap.insert({ 4,"Heihei!" }); mymap[5] = "Five";//这里还可以使用数组的方式，更加巧妙 //遍历打印键值对 for (const auto& e : mymap) { cout << "Key:" << e.first << " " << "Value:" << e.second << endl; } }

        我们还需要注意的是map是不支持key冗余的，即使它们的value不一样，所以相同的key插入就会失败~

void test5() { map<int, string> mymap; mymap.insert(pair<int, string>(1, "Hello!")); pair<int, string> p(2, "Haha!"); mymap.insert(p); mymap.insert(make_pair(3, "Hehe!")); mymap.insert({ 4,"Heihei!" }); mymap.insert({ 4,"He!" }); //使用迭代器遍历访问 auto it = mymap.begin(); while (it != mymap.end()) { //cout << (*it).first << " " << (*it).second << endl; cout << it->first << " " << it->second << endl; //本质上是下面这种调用方式，编译器进行了优化 //cout << it.operator->()->first << " " << it.operator->()->second << endl; it++; } }

operator[ ]

前面我们使用初始化直接使用数组来对map进行初始化，实现了插入元素并且修改value，这就不得不提map对[]运算符的重载了

下面这一句是重点：

让我们逐步解析：this->insert(make_pair(k, mapped_type())):this 指针指向当前对象。insert 是当前对象的一个成员函数。make_pair(k, mapped_type()) 创建了一个键值对，其中 k 是键，mapped_type() 是默认构造的值。insert 函数将这个键值对插入到当前对象中，并返回一个 pair，其中 first 是一个迭代器，指向插入的键值对，second 是一个布尔值，表示插入是否成功。(this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first:从 insert 函数返回的 pair 中取出 first，即指向插入的键值对的迭代器。*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first):对迭代器进行解引用，得到插入的键值对。(*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first)).second:从解引用的键值对中取出 second，即插入的值。

根据这个，我们就可以来简单实现一下operator的底层：

//operaror[]底层 Value& opertor[](const K& key) { //首先调用insert，得到返回的pair类型 pair<iterator, bool> ret = inset({ key,Value() }); //返回插入键值对迭代器里面的第二个，也就是插入位置的value return ret.first->second; }

这里的Value（）也就是调用的默认构造~返回值也就是Value值的引用~

事实上，operator[ ]的使用不仅仅限于此，它还有其他的使用方式~我们一起来看看：

void test6() { map<int, string> mymap; mymap.insert(pair<int, string>(1, "Hello!")); pair<int, string> p(2, "Haha!"); mymap.insert(p); mymap.insert(make_pair(3, "Hehe!")); //1.插入 mymap[4]; //2、插入+修改 mymap[5] = "HHHH";//没有存在的，就插入然后返回的value值进行了修改 //3、修改 mymap[1] = "Heee";//已经存在的修改value值 //4.查找对应key的value值 cout << "mymap[2]:" << mymap[2] << endl; auto it = mymap.begin(); while (it != mymap.end()) { cout << it->first << " " << it->second << endl; it++; } }

可以发现map对[]的重载给我们带来了极大的方便~

接下来我们来看一段小程序，进一步体会operator[]的魅力~

void test7() { vector<string> s = { "key","value","learn","learn","key","hello","key" }; //单词计数 map<string, int> count_map; for (auto e : s) { //利用[]重载 //没有就进行插入并且修改value值 //有就利用找到的迭代器对value值进行修改 count_map[e]++; } auto it = count_map.begin(); while (it != count_map.end()) { cout << (*it).first << " " << (*it).second << endl; it++; } }

这样使用[ ] 就十分方便~

        值得注意的是，map实现了[]运算符重载，但是set、multimap、multiset都没有实现[]运算符重载，所以使用的时候我们需要注意可以使用的地方~

at

我们还可以看到C++11还添加了at函数用于访问map中指定键对应的值，有两种重载形式：非常量版本和常量版本。如果键存在，返回对应值的引用；如果键不存在，抛出std::out_of_range异常，这提供了一种安全的元素访问方式。

简单测试：

void test8() { map<int, string> mymap; mymap.insert(pair<int, string>(1, "Hello!")); pair<int, string> p(2, "Haha!"); mymap.insert(p); mymap.insert(make_pair(3, "Hehe!")); cout << mymap.at(1) << endl;//键存在，返回对应值的引用 //cout << mymap.at(4) << endl;//err,键不存在，抛出std::out_of_range异常 }

我们已经讲解了map容器里面的大多数接口，剩下的接口大家可以查阅文档C++中的map，大多数与我们前面讲解的set接口是一样的，大家也可以参考前面set的文章~

接下来，我们来看看multimap：

multimap

   map中每个键是唯一的，插入相同键会失败或更新值；而multimap允许多个相同键的元素,两者通常基于红黑树实现，查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)~

我们来看看它们的使用:

void test9() { //是否插入看的是key,不是value //map不支持key冗余,无论value是否一样 map<int, string> mymap; mymap.insert({ 1, "Hello" }); mymap.insert({ 1, "Haha" }); mymap.insert({ 2,"Hehe" }); mymap.insert({ 3,"H" }); mymap.insert({ 3,"H" }); //multimap支持key冗余,无论value是否一样 multimap<int, string> mul_map; mul_map.insert({ 1, "Hello" }); mul_map.insert({ 1, "Haha" }); mul_map.insert({ 2,"Hehe" }); mul_map.insert({ 3,"H" }); mul_map.insert({ 3,"H" }); cout << "map:" << endl; auto it = mymap.begin(); while (it != mymap.end()) { cout << it->first << " " << it->second << endl; it++; } cout << "multimap:" << endl; for (const auto& e : mul_map) { cout << e.first << " " << e.second << endl; } }

其他接口依然是类似的,这里就不过多的描述了~

equal_range

在set里面我们提到了lower_bound和upper_bound,这里我们有一个新的内容equal_range，它可以用来获取与指定键匹配的所有元素范围~返回值是pair类型，里面是两个迭代器，也就是开始位置的迭代器和结束位置后面的迭代器（左闭右开的区间）

void test10() { multimap<int, string> mul_map; mul_map.insert({ 1, "Hello" }); mul_map.insert({ 1, "Haha" }); mul_map.insert({ 2,"Hehe" }); mul_map.insert({ 3,"H" }); mul_map.insert({ 3,"H" }); //获取与指定键1匹配的所有元素范围 pair<multimap<int, string>::iterator,multimap<int, string>::iterator> ret = mul_map.equal_range(1); auto it = ret.first; //左闭右开的区间 while (it != ret.second)//ret是pair类型的 { cout << it->first << " " << it->second << endl; it++; } }

equal_range、lower_bound和upper_bound简单对比

equal_range、lower_bound和upper_bound都是C++标准库中关联容器（std::map、std::multimap、std::set、std::multiset）的成员函数，用于查找元素或元素范围。它们之间的区别和联系如下：

1. equal_range

• 功能：返回一个std::pair，其中first是指向第一个不小于指定键的元素的迭代器，second是指向第一个大于指定键的元素的迭代器。
• 用途：用于获取与指定键匹配的所有元素范围，特别适用于允许多个相同键的容器（如std::multimap和std::multiset）。
• 返回值：一个迭代器对，表示匹配元素的范围。

2. lower_bound

• 功能：返回一个迭代器，指向第一个不小于（即大于或等于）指定键的元素。
• 用途：用于找到指定键或下一个更大键的起始位置。
• 返回值：单个迭代器，指向第一个不小于指定键的元素。

3. upper_bound

• 功能：返回一个迭代器，指向第一个大于指定键的元素。
• 用途：用于找到大于指定键的起始位置。
• 返回值：单个迭代器，指向第一个大于指定键的元素。

对比与联系

• 关系：equal_range实际上可以通过lower_bound和upper_bound的组合来实现，具体来说，equal_range(key)返回的范围等同于{lower_bound(key), upper_bound(key)}。
• 使用场景：
  • 如果你只需要找到第一个不小于指定键的元素，使用lower_bound。
  • 如果你只需要找到第一个大于指定键的元素，使用upper_bound。
  • 如果你需要找到与指定键匹配的所有元素范围，使用equal_range。

C++中map和set容器的简单对比

存储内容

• map：存储键值对，每个键对应一个值。
• set：只存储键，不存储值。

唯一性

• map和set都保证存储的元素（键）是唯一的。

排序

• map和set中的元素都会自动排序。

时间复杂度

• 查找、插入、删除：map和set这些操作的时间复杂度都是O(log n)。

使用场景

• map：当你需要存储键值对，并且希望快速查找、插入和删除时。
• set：当你只需要存储唯一元素，并且希望它们自动排序，同时支持快速查找、插入和删除时。

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