【C++】unordered_set、unordered_map的介绍及使用

---

一、unordered系列关联式容器

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，在查询时效率可达到$lo{g}_{2}N$，即最差情况下需要比较红黑树的高度次，当树中的节点非常多时，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。

二、unordered_map and unordered_multimap

1、unordered_map的介绍

1. unordered_map是存储键值对的关联式容器，其允许通过keys快速的索引到与其对应的value。
2. 在unordered_map中，键值通常用于惟一地标识元素，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。
3. 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。
4. 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。
5. unordered_maps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。
6. 它的迭代器至少是前向迭代器。

2、unordered_map的使用

（1）定义

其定义方式如下：

void test_unordered_map1()
{
	// 构造一个空的key为int，value为double的unordered_map
	unordered_map<int, double> um1;

	// 给um1赋上值
	um1.insert(make_pair(1, 1.1));
	um1.insert(make_pair(2, 2.2));
	um1.insert(make_pair(3, 3.3));
	um1.insert(make_pair(4, 4.4));

	// 拷贝构造
	unordered_map<int, double> um2(um1);

	// 迭代器区间拷贝um2的一段
	unordered_map<int, double> um3(um2.begin(), um2.end());

	// for循环打印一下um3，um3没问题则um1和um2都没问题
	for (auto& e : um3)
	{
		cout << e.first<< "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
}

（2）接口使用

成员函数	功能
insert	插入键值对
erase	删除指定key的值的键值对
size	获取容器中元素的个数
find	查找指定key值的键值对
empty	判断容器是否为空
clear	清空当前容器
swap	交换两个容器中的数据
count	获取容器中指定key值的元素的个数
[]	运算符重载的[]功能很强大，有插，改、找等功能
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的下一个元素的正向迭代器的

重点讲一下[]：
1、若当前容器中已经存在着键值为key的键值对，则返回该键值对value的引用。
2、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。

下面直接看代码，关于上述所有的代码操作：

void test_unordered_map2()
{
	// 构造一个空的key为int，value为string的unordered_map
	unordered_map<int, string> um1;
	
	// 插入方法一：构造匿名对象插入
	um1.insert(pair<int, string>(1, "111"));
	um1.insert(pair<int, string>(2, "222"));
	um1.insert(pair<int, string>(3, "333"));

	// 插入方法二：调用make_pair插入
	um1.insert(make_pair(4, "444"));
	um1.insert(make_pair(5, "555"));
	um1.insert(make_pair(6, "666"));

	// 插入方法三：用operator[]
	um1[7] = "777";
	um1[8] = "888";
	um1[9] = "999";
	um1[10] = "000";

	// 遍历方式一：利用迭代器进行遍历打印
	//unordered_map::iterator it = um1.begin();
	auto it = um1.begin();
	while (it != um1.end())
	{
		cout << (*it).first << "=>" << (*it).second << " ";
		++it;
	}
	cout << endl; // 1=>111 2=>222 3=>333 4=>444 5=>555 6=>666 7=>777 8=>888 9=>999 10=>000

	// 遍历方法二：利用for循环进行遍历打印
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first<< "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // 1=>111 2=>222 3=>333 4=>444 5=>555 6=>666 7=>777 8=>888 9=>999 10=>000

	// 删除操作1:根据键值对key删除
	um1.erase(5);
	// 删除操作2：根据迭代器进行删除
	unordered_map<int, string>::iterator rit = um1.find(7); // 顺带使用键值对key就可以用find函数了
	if (rit != um1.end())
	{
		um1.erase(rit);
	}
	// 遍历打印一下，用for循环方便快捷一点
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // 1=>111 2=>222 3=>333 4=>444 6=>666 8=>888 9=>999 10=>000

	// 修改键值对：通过find获得迭代器进行修改
	auto pos = um1.find(1);
	if (pos != um1.end())
	{
		pos->second = "11/11";
	}

	// 修改键值对：通过operator[]运算符重载进行修改
	um1[2] = "22/22";

	// 打印一下
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // 1=>11/11 2=>22/22 3=>333 4=>444 6=>666 8=>888 9=>999 10=>000

	// 判空
	cout << um1.empty() << endl; // 0 -- 不空

	// 计算容器的大小
	cout << um1.size() << endl; // 8个

	// 计算容器中键值对的大小
	cout << um1.count(3) << endl; // 1

	// 交换两容器中的数据
	unordered_map<int, string> tmp{{11, "123"}, { 22, "345" }};
	um1.swap(tmp);
	for (auto& e : tmp)
	{
		cout << "tmp=>" << " ";
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // tmp=> 1=>11/11 2=>22/22 3=>333 4=>444 6=>666 8=>888 9=>999 10=>000

	for (auto& e : um1)
	{
		cout << "um1=>" << " ";
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // um1=> 11=>123 22=>345

	// 清空
	um1.clear();
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
}

3、unordered_multimap

这个容器与unordered_map基本一致，这两个的区别在于multimap允许键值对的冗余，也就是可以允许key和value有不同的值。

void test_unordered_map3()
{
	unordered_multimap<int, string> ummp1;
	ummp1.insert(make_pair(2023, "yes"));
	ummp1.insert(make_pair(2023, "no"));
	ummp1.insert(make_pair(2023, "before"));
	ummp1.insert(make_pair(2023, "now"));
	for (auto& e : ummp1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
}

还有三个不同：

1、unordered_map和unordered_multimap的find函数：

find函数	功能
unordered_map	返回键值为key的键值对的迭代器
unordered_multimap	返回底层哈希表中第一个找到的键值为key的键值对的迭代器

2、count函数功能

count函数	功能
unordered_map	键值为key的键值对存在则返回1，不存在则返回0（find成员函数可替代）
unordered_multimap	返回键值为key的键值对的个数（find成员函数不可替代）

3、operator[]函数功能

我们在unordered_multimap中是没有这个operator[]重载的，因为这个容器中是可以冗余的，所以我们不确定找的是哪一个，会导致很多的错误，所以我们的unordered_multimap是没有operator[]这个的！

二、unordered_set and unordered_multiset

1、unordered_set介绍

1、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。
2、在unordered_set中，元素的值同时也是唯一地标识它的key。
3、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。
4、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。
5、它的迭代器至少是前向迭代器。

2、unordered_set使用

（1）定义

void test_unordered_set1()
{
	// 构造一个空壳的us1的unordered_set的容器
	unordered_set<int> us1;

	// 插入几个值
	us1.insert(1);
	us1.insert(2);
	us1.insert(3);
	us1.insert(4);

	// 拷贝构造
	unordered_set<int> us2(us1);

	// 迭代器区间构造
	unordered_set<int> us3(us2.begin(), us2.end());

	// for循环打印一下
	for (auto& e : us3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

（2）接口使用

成员函数	功能
insert	插入指定元素
erase	删除指定元素
size	获取容器中元素的个数
find	查找指定元素
empty	判断容器是否为空
clear	清空当前容器
swap	交换两个容器中的数据
count	获取容器中指定元素的个数
[]	运算符重载的[]功能很强大，有插，改、找等功能
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的下一个元素的正向迭代器的

void test_unordered_set2()
{
	// 先构造一个空的容器
	unordered_set<int> us1;

	// 插入元素（只有这一种插入法）
	us1.insert(1);
	us1.insert(2);
	us1.insert(3);
	us1.insert(1);
	us1.insert(4);
	us1.insert(5);

	// 遍历容器第一种方法：迭代器遍历
	unordered_set<int>::iterator it = us1.begin();
	while (it != us1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl; // 1 2 3 4 5

	// 遍历容器第二种方法：for循环
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 1 2 3 4 5

	// 删除元素的方式一：直接找到值进行删除
	us1.erase(1);

	// 删除元素的方法二：利用迭代器进行删除
	unordered_set<int>::iterator pos = us1.find(2);
	if (pos != us1.end())
	{
		us1.erase(pos);
	}

	// 打印一下
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 3 4 5

	// 判断容器是否为空
	cout << us1.empty() << endl; // 0

	// 获取值为3的个数
	cout << us1.count(3) << endl; // 1

	// 查看当前容器的容量
	cout << us1.size() << endl; // 3

	// 交换数据
	unordered_set<int> tmp{99, 88, 77, 66};
	us1.swap(tmp);

	// 打印一下
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 99 88 77 66 

	// 打印一下
	for (auto& e : tmp)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 3 4 5

	// 清空
	us1.clear();

	// 打印一下
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;  //   
}

3、unordered_multiset

大致实现的功能与unordered_map相同，但唯一不同的一点是在于这个多功能的set是允许值进行重复的！

void test_unordered_set3()
{
	unordered_multiset<int> ums1;
	ums1.insert(1);
	ums1.insert(2);
	ums1.insert(4);
	ums1.insert(3);
	ums1.insert(1);
	ums1.insert(5);
	ums1.insert(2);
	ums1.insert(7);

	for (auto& e : ums1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;  // 1 1 2 2 3 4 5 7
}

这个多功能的set是相较于普通set来讲的count函数是返回的个数，而普通set的count函数是如果存在则返回1，不存在则返回0。

这个多功能set相较于普通set来讲的find函数是返回底层哈希表中第一个找到的键值为val的元素的迭代器，而普通set则是返回简单的key。

三、map/set 和 unordered_map/unordered_set的区别

性能测试来一波：

#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());
	}

	//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;

	//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;

	//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;
}