【STL系列】unordered_set和unordered_map

前言

之前，我们介绍了STL中树形结构容器:set、map、multiset、multimap。

在C++98中，STL提供了底层为红黑树结构的一系列关联式容器，在查询时的效率可达到O(logN)，即最差情况下需要比较红黑树的高度次，但当树中的结点非常多时，查询效率也不理想。最好的查询是，进行很少的比较次数就能够将元素找到，因此在C++11中，STL又提供了4个unordered系列的关联式容器，这四个容器与红黑树结构的关联式容器使用方式基本类似，只是其底层结构不同。

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unordered_set

unordered_set的介绍

• unordered_set是不按特定顺序存储键值的关联式容器，其允许通过键值快速的索引到对应的元素。
• 在unordered_set中，元素的值同时也是唯一地标识它的key。
• 在内部，unordered_set中的元素没有按照任何特定的顺序排序，为了能在常数范围内找到指定的key，unordered_set将相同哈希值的键值放在相同的桶中。
• unordered_set容器通过key访问单个元素要比set快，但它通常在遍历元素子集的范围迭代方面效率较低。
• 它的迭代器至少是前向迭代器。

unordered_set的定义

//方式一： 构造一个某类型的空容器。
unordered_set<int> us1; //构造int类型的空容器

//方式二： 拷贝构造某同类型容器的复制品。
unordered_set<int> us2(us1); //拷贝构造同类型容器us1的复制品

//方式三： 使用迭代器拷贝构造某一段内容。
string str("abcedf");
unordered_set<char> us3(str.begin(), str.end()); //构造string对象某段区间的复制品

unordered_set接口的使用

unordered_set当中常用的成员函数如下：

成员函数	功能
insert	插入指定元素
erase	删除指定元素
find	查找指定元素
size	获取容器中元素的个数
empty	判断容器是否为空
clear	清空容器
swap	交换两个容器中的数据
count	获取容器中指定元素值的元素个数

unordered_set当中迭代器相关函数如下：

成员函数	功能
begin	获取容器中第一个元素的正向迭代器
end	获取容器中最后一个元素下一个位置的正向迭代器

实例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	unordered_set<int> us;
	//插入元素（去重）
	us.insert(1);
	us.insert(4);
	us.insert(3);
	us.insert(3);
	us.insert(2);
	us.insert(2);
	us.insert(3);
	//遍历容器方式一（范围for）
	for (auto e : us)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; //1 4 3 2
	//删除元素方式一
	us.erase(3);
	//删除元素方式二
	unordered_set<int>::iterator pos = us.find(1); //查找值为1的元素
	if (pos != us.end())
	{
		us.erase(pos);
	}
	//遍历容器方式二（迭代器遍历）
	unordered_set<int>::iterator it = us.begin();
	while (it != us.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl; //4 2
	//容器中值为2的元素个数
	cout << us.count(2) << endl; //1
	//容器大小
	cout << us.size() << endl; //2
	//清空容器
	us.clear();
	//容器判空
	cout << us.empty() << endl; //1
	//交换两个容器的数据
	unordered_set<int> tmp{ 11, 22, 33, 44 };
	us.swap(tmp);
	for (auto e : us)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; //11 22 33 44
	return 0;
}

unordered_multiset

unordered_multiset容器与unordered_set容器的底层数据结构是一样的，都是哈希表，其次，它们所提供的成员函数的接口都是基本一致的，这两种容器唯一的区别就是，unordered_multiset容器允许键值冗余，即unordered_multiset容器当中存储的元素是可以重复的。

实例：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	unordered_multiset<int> ums;
	//插入元素（允许重复）
	ums.insert(1);
	ums.insert(4);
	ums.insert(3);
	ums.insert(3);
	ums.insert(2);
	ums.insert(2);
	ums.insert(3);
	for (auto e : ums)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; //1 4 3 3 3 2 2
	return 0;
}

unordered_map

unordered_map的介绍

• unordered_map是存储键值对的关联式容器，其允许通过key值快速的索引到与其对应是value。
• 在unordered_map中，键值通常用于唯一地标识元素，而映射值是一个对象，其内容与此键关联。键和映射值的类型可能不同。
• 在内部，unordered_map没有对按照任何特定的顺序排序，为了能在常数范围内找到key所对应的value，unordered_map将相同哈希值的键值对放在相同的桶中。
• unordered_map容器通过key访问单个元素要比map快，但它通常在遍历元素子集的范围迭代方面效率较低。
• unordered_map实现了直接访问操作符（operator[]），它允许使用key作为参数直接访问value。
• 它的迭代器至少是前向迭代器。

unordered_map的定义

//方式一： 指定key和value的类型构造一个空容器。

unordered_map<int, double> um1; //构造一个key为int类型，value为double类型的空容器

//方式二： 拷贝构造某同类型容器的复制品。

unordered_map<int, double> um2(um1); //拷贝构造同类型容器um1的复制品

//方式三： 使用迭代器拷贝构造某一段内容。

unordered_map<int, double> um3(um2.begin(), um2.end()); //使用迭代器拷贝构造um2容器某段区间的复制品

unordered_map接口的使用

unordered_map当中常用的成员函数如下：

成员函数	功能
insert	插入键值对
erase	删除指定key值的键值对
find	查找指定key值的键值对
size	获取容器中元素的个数
empty	判断容器是否为空
clear	清空容器
swap	交换两个容器中的数据
count	获取容器中指定key值的元素个数

除了上述的成员函数之外，unordered_map容器当中还实现了[ ]运算符重载函数

[key]

• 若当前容器中已有键值为key的键值对，则返回该键值对value的引用。
• 若当前容器中没有键值为key的键值对，则先插入键值对，然后再返回该键值对中value的引用。

unordered_map当中迭代器相关函数如下：

成员函数	功能
begin	获取容器中第一个元素的正向迭代器
end	获取容器中最后一个元素下一个位置的正向迭代器

实例：

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	unordered_map<int, string> um;
	//插入键值对方式一：构造匿名对象插入
	um.insert(pair<int, string>(1, "one"));
	um.insert(pair<int, string>(2, "two"));
	um.insert(pair<int, string>(3, "three"));
	//遍历方式一：范围for
	for (auto e : um)
	{
		cout << e.first << "->" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; //1->one 2->two 3->three
	//插入键值对方式二：调用make_pair函数模板插入
	um.insert(make_pair(4, "four"));
	um.insert(make_pair(5, "five"));
	um.insert(make_pair(6, "six"));
	//遍历方式二：迭代器遍历
	unordered_map<int, string>::iterator it = um.begin();
	while (it != um.end())
	{
		cout << it->first << "->" << it->second << " ";
		it++;
	}
	cout << endl; //1->one 2->two 3->three 4->four 5->five 6->six
	//插入键值对方式三：利用[]运算符重载函数进行插入（常用）
	um[7] = "seven";
	um[8] = "eight";
	um[9] = "nine";
	for (auto e : um)
	{
		cout << e.first << "->" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; //9->nine 1->one 2->two 3->three 4->four 5->five 6->six 7->seven 8->eight
	//删除键值对方式一：根据key值删除
	um.erase(5);
	//删除键值对方式二：根据迭代器删除
	unordered_map<int, string>::iterator pos = um.find(7); //查找键值为7的键值对
	if (pos != um.end())
	{
		um.erase(pos);
	}
	for (auto e : um)
	{
		cout << e.first << "->" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; //9->nine 1->one 2->two 3->three 4->four 6->six 8->eight
	//修改键值对方式一：通过find获得迭代器，通过迭代器修改
	pos = um.find(1);
	if (pos != um.end())
	{
		pos->second = "one/first";
	}
	//修改键值对方式二：利用[]运算符重载函数进行修改（常用）
	um[2] = "two/second";
	for (auto e : um)
	{
		cout << e.first << "->" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; //9->nine 1->one/first 2->two/second 3->three 4->four 6->six 8->eight
	//容器中key值为3的键值对的个数
	cout << um.count(3) << endl;
	//容器的大小
	cout << um.size() << endl;
	//清空容器
	um.clear();
	//容器判空
	cout << um.empty() << endl;
	//交换两个容器的数据
	unordered_map<int, string> tmp{ { 2021, "before" }, { 2022, "now" } };
	um.swap(tmp);
	for (auto e : um)
	{
		cout << e.first << "->" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; //2021->before 2022->now
	return 0;
}

unordered_multimap

unordered_multimap容器与unordered_map容器的底层数据结构是一样的，都是哈希表，其次，它们所提供的成员函数的接口都是基本一致的，这两种容器唯一的区别就是，unordered_multimap容器允许键值冗余，即unordered_multimap容器当中存储的键值对的key值是可以重复的。

实例：

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	unordered_multimap<int, string> umm;
	//插入键值对（允许键值重复）
	umm.insert(make_pair(2022, "吃饭"));
	umm.insert(make_pair(2022, "睡觉"));
	umm.insert(make_pair(2022, "打豆豆"));
	for (auto e : umm)
	{
		cout << e.first << "->" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; //2022->吃饭 2022->睡觉 2022->打豆豆
	return 0;
}

注意：由于unordered_multimap容器允许键值对的键值冗余，调用[ ]运算符重载函数时，应该返回键值为key的哪一个键值对的value的引用存在歧义，因此在unordered_multimap容器当中没有实现[ ]运算符重载函数。

map/set与unordered_map/unordered_set的区别

map容器与unordered_map容器的差别和set容器与unordered_set容器的差别类似，下面我们以set容器和unordered_set容器的测试为例。

说到一个容器的性能，我们最关心的实际就是该容器增删查改的效率。我们可以通过下列代码测试set容器和unordered_set容器insert、find以及erase的效率。

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	int N = 1000;
	vector<int> v;
	v.reserve(N);
	srand((unsigned int)time(NULL));
	//随机生成N个数字
	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		v.push_back(rand());
	}

	/****************插入效率测试****************/
	//将这N个数插入set容器
	set<int> s;
	clock_t begin1 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		s.insert(e);
	}
	clock_t end1 = clock();

	//将这N个数插入unordered_set容器
	unordered_set<int> us;
	clock_t begin2 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		us.insert(e);
	}
	clock_t end2 = clock();

	//分别输出插入set容器和unordered_set容器所用的时间
	cout << "set insert: " << end1 - begin1 << endl;
	cout << "unordered_set insert: " << end2 - begin2 << endl;

	/****************查找效率测试****************/
	//在set容器中查找这N个数
	clock_t begin3 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		s.find(e);
	}
	clock_t end3 = clock();

	//在unordered_set容器中查找这N个数
	clock_t begin4 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		us.find(e);
	}
	clock_t end4 = clock();

	//分别输出在set容器和unordered_set容器中查找这N个数所用的时间
	cout << "set find: " << end3 - begin3 << endl;
	cout << "unordered_set find: " << end4 - begin4 << endl;

	/****************删除效率测试****************/
	//将这N个数从set容器中删除
	clock_t begin5 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		s.erase(e);
	}
	clock_t end5 = clock();

	//将这N个数从unordered_set容器中删除
	clock_t begin6 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		us.erase(e);
	}
	clock_t end6 = clock();

	//分别输出将这N个数从set容器和unordered_set容器中删除所用的时间
	cout << "set erase: " << end5 - begin5 << endl;
	cout << "unordered_set erase: " << end6 - begin6 << endl;
	return 0;
}

当N比较小时，两者的效率时差不多的，我们稍微将N设置大一些，将N设为10000000。

而当N为10000000时，set容器和unordered_set容器增删查改的效率的差异就很明显了,unordered_set优于set。

根据测试结果可以得出以下结论：

• 当处理数据量小时，map/set容器与unordered_map/unordered_set容器增删查改的效率差异不大。
• 当处理数据量大时，map/set容器与unordered_map/unordered_set容器增删查改的效率相比，unordered系列容器的效率更高。

因此，当处理数据量较小时，选用xxx容器与unordered_xxx容器的差异不大；当处理数据量较大时，建议选用对应的unordered_xxx容器。

当需要存储的序列为有序时，应该选用map/set容器。