C++标准库中std::map和std::unordered_map对比及如何选择

0. 概述

std::map和std::unordered_map都是一种存储{key， value}的容器，并提供成员函数来高效地插入、搜索和删除键值对。 顾名思义，std::map是有序的，std::unordered_map是无序的。 后者以前叫做hash_map。

以下是他们的不同点：

容器	map	unordered_map
有序性	有序	无序
内部实现方式	平衡二叉查找树	哈希表
查找 时间复杂度	O(logN)	平均O(1)， 最坏O(N)
插入、删除 时间复杂度	O(longN)+平衡时间	平均O(1)， 最坏O(N)

1. 内部实现

std::map内部数据存储方式为平衡二叉查找树（banlanced BST, 如红黑树）， 因此数据是按key有序存储的（注：二叉查找树的中序遍历是有序的）。

std::unordered_map内部数据存储方式为哈希表， 数据是无序的。（注：数据也不一定是连续内存， 因为hash表中记录数据存储地址即可。

2. 空间复杂度

因为需要额外的空间存储哈希表，所以unordered_map比map使用更多的内存。

3. 时间复杂度 :

map的性能和平衡二叉查找树相同， unordered_map的性能和哈希表相关。

以下为使用Google的“sparsehash project”，进行的性能测试结果：

$ ./time_hash_map
TR1 UNORDERED_MAP (4 byte objects, 10000000 iterations):
map_grow              126.1 ns  (27427396 hashes, 40000000 copies)  290.9 MB
map_predict/grow       67.4 ns  (10000000 hashes, 40000000 copies)  232.8 MB
map_replace            22.3 ns  (37427396 hashes, 40000000 copies)
map_fetch              16.3 ns  (37427396 hashes, 40000000 copies)
map_fetch_empty         9.8 ns  (10000000 hashes,        0 copies)
map_remove             49.1 ns  (37427396 hashes, 40000000 copies)
map_toggle             86.1 ns  (20000000 hashes, 40000000 copies)

STANDARD MAP (4 byte objects, 10000000 iterations):
map_grow              225.3 ns  (       0 hashes, 20000000 copies)  462.4 MB
map_predict/grow      225.1 ns  (       0 hashes, 20000000 copies)  462.6 MB
map_replace           151.2 ns  (       0 hashes, 20000000 copies)
map_fetch             156.0 ns  (       0 hashes, 20000000 copies)
map_fetch_empty         1.4 ns  (       0 hashes,        0 copies)
map_remove            141.0 ns  (       0 hashes, 20000000 copies)
map_toggle             67.3 ns  (       0 hashes, 20000000 copies)

4. 关键字类型key_type的要求

因为map是按二叉查找树存储的，需要比较key的大小，所以关键字类型必须定义元素比较的方法。标准库使用关键字类型的**<运算符来**比较， 也可以自定义比较操作（对于没有<运算符的类型，比如自定义类，则必须自定义比较操作）， 自定义的比较操作必须是严格弱序的。

如，std::map mag；

类似的，unordered_map的关键字类型需要有hash函数来计算hash值。因为可能存在hash冲突，即不同元素的hash相同，因此还需要关键字类型有**==运算符**来比较元素。 标准库为内置类型提供了hash模板, 如int型会被hash到它本身， std::hash产生内存地址值的hash值。 hash函数和==运算符都是可以定义的，关键字类型没有的时候必须自定义。

如，std::unordered_map m6；

5. 选用哪一个，看完不再纠结

两者的接口差不多，基本可以互换。

一般来说unordered_map的综合性能比map要好，因此，通常我们可以使用unorderd_map代替map。

以下情况推荐使用map：

1. 关键字类型的hash函数设计的很差， 或者==运算符的性能极差， 导致hash过程太耗时；
2. 对内存使用有严格要求, 不能接受存储hash table的额外内存开销；
3. 元素要求按顺序存储， 或者常常需要关联访问一个元素的上一个/下一个元素， 或者需要遍历整个map。

其他情况推荐使用unordered_map。

---

Ref:
https://www.geeksforgeeks.org/map-vs-unordered_map-c/
https://thispointer.com/map-vs-unordered_map-when-to-choose-one-over-another/
https://stackoverflow.com/questions/2196995/is-there-any-advantage-of-using-map-over-unordered-map-in-case-of-trivial-keys
https://en.cppreference.com/w/cpp/container/unordered_map
https://en.cppreference.com/w/cpp/container/map
https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/hash