C++中的容器map和set

在C++标准模板库STL中将map和set归为关联式容器(associative container)。它们就像一个关联数组，把一个元素（key）映射到另一个元素（value），当然对于set来说，其value值就是key值。STL提供的关联式容器主要有set（集合）和map（映射表）两大类，以及他们的衍生类multiset和multimap，multiset和set也只是插入元素时的比较方式不同而已，底层实现基本相同。因为set和map的实现非常类似，所以它们总是成对出现，所以本文从更具代表性的map容器说起，说说那些在C++中可用的map容器。

map容器的底层实现主要有两种：基于（RB-tree）红黑树和基于hashtable（哈希表，散列表）。RB-tree能够确保一棵树中没有一条路径会比其他路径长2倍，它不仅是一棵搜索树，而且必须满足：

1. 每个节点只能是红色或黑色；
2. 根节点必须是黑色；
3. 如果节点是红色，其子节点必须是黑色；
4. 任一节点至树尾端（叶子节点）的任何路径，所含的黑色节点数必须相同。

这使得RB-tree的插入、删除以及查找的时间复杂度都为O(lgN)，而且基于RB-tree的map，其键值是有序的（默认按字典序排列）。Hashtable能做到在平均常数时间内实现数据的插入、删除以及查找。Hashtable是一种典型的以空间换时间的设计。它将一个元素通过hash函数计算后，直接定址到其存储位置，hashtable的实际性能往往依赖于hash函数的设计，以及buckets（桶）的大小，当元素定址发生冲突时（两个元素经hash函数后被定址到同一个bucket中），通常采用开链法，即用链表将相同的元素链接在同一个bucket里。所以hashtable的最坏查找时间为O(N)，而且基于hashtable的容器，其元素是无序的。

STL标准map容器，基于RB-tree

#include 
using namespace std;

map mk;

STL非标准map容器，基于hashtable，使用时通常要提供key比较的自定义比较函数，没有标准的map方便。

#include 
using namespace std;
//example
struct eqfunc 
{
    bool operator()(const char *str1,const char *str2)const
    {
        return strcmp(s1,s2)==0;
    }
};
/*
 *param1,param2,键值的类型
 *param3，键的hash算法
 *param4，键的比较函数
 */

hash_map<const char*,int,hash<const char*>,eqfunc > hsmap;

BOOST库unordered
基于hashtable的容器,无序的map，非标准容器，使用时需要安装boost库。

#include 
using namespace boost;

unordered_map mk;

C++11 unordered_map
基于hashtable的容器，无序的map，和boost库的unordered_map类似，但作为C11的标准容器

#include 
using namespace std;

ACE库的Map容器
ACE_Map_Manager被视为动态条目数组。每个条目有一个键值对组成。一旦动态数组满了，就会重新分配更大的内存，并将原有条目拷贝到新数组，同时释放原有数组。条目的删除采用惰性删除，其插入元素的最坏时间复杂度为O(N)，读取操作总是线性的O(N)。ACE_Map_Manager还提供了第三个参数：锁类型，用以支持其上的线程安全操作。
ACE_Hash_Map_Manager相对于ACE_Map_Manager，其基于的是hashtable。
ACE_RB_Tree也可以实现map容器。

此外，基于一棵搜索二叉树，也可以实现map结构，例如之前介绍过基于Trie树Triemap结构。最后，在某些特定场景可以使用《编程珠玑》提及的Bitmap，Bitmap就是用一个bit位来标记某个元素对应的Value， 而Key即是该元素。由于采用了Bit为单位来存储数据，因此在存储空间方面，可以大大节省。当然随着算法的演进，如果1bit无法表述，可以使用2bit算法等。

另外对于容器的元素插入，推荐使用insert()方法，以减少不必要的开销。

#include 
#include 
using namespace std;

map<int,string> mi;
mi[1] = "One";//method 1
mi.insert(make_pair(1,"one"));////method 2

对于method 1，插入过程是，首先根据键值对做一个元素（value_type(1,”One”)），然后将这个元素插入到容器中，无论插入成功或失败（如果插入成功，则说明原来容器中不存在该元素；否则，原来容器中存在该元素，要更新）都会返回一个迭代器，指向被插入的元素，然后将新的元素的value值赋给迭代器指向的元素，这就带来了拷贝操作，如果value值是一个较为复杂的对象，这样势必会带来额外的开销。更推荐使用method 2。

文中只提及了一些可以使用map及其对应的头文件，至于具体的使用，可以参考相关的文档，在此不再累述。对于数据量较小的应用，推荐使用stl::map，如果对查找速度有特别要求，或者数据量巨大时，推荐使用C11标准的unordered_map，如果还没有开始使用C11，也可以使用boost的unordered_map。

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《STL源码剖析》，侯捷。华中科技大学出版社。
《Boost程序库完全开发指南》，罗剑锋。电子工业出版社。
《ACE程序员指南：网络与系统编程的实用设计模式》，马维达译。中国电力出版社。