C++ STL map 容器详解与 pair 用法

#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：

//operator[]底层
Value& opertor[](const K& key) {
    //首先调用 insert，得到返回的 pair 类型
    pair<iterator, bool> ret = insert({ 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。