C++ STL常用容器之map(关联容器)

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前言

本文主要介绍C++ STL常用容器之map(关联容器)的相关概念以及用法。

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一、map的介绍

std::map 是C++标准模板库（STL）中的一个关联容器，它包含不重复的键值对（key-value pairs）集合，其中每个键都是唯一的。map的内部使用一个红黑树进行存储，因此能够保持元素的有序性，并提供高效的查找、插入和删除操作。

1.1 使用map的优点

优点	描述
快速查找	由于map的内部使用红黑树作为数据结构，因此查找、插入和删除操作的时间复杂度为对数级别，非常高效。
唯一性保证	map 保证每个键在容器中都是唯一的，不会出现重复键。
支持复杂数据类型	map的键和值可以是任意数据类型，包括自定义类型。
动态调整	插入和删除操作会自动调整内部结构以保持有序性和平衡性。

1.2 使用map的缺点

缺点	描述
空间开销较大	由于map的内部使用红黑树来维护元素的有序性和唯一性，因此需要额外的空间来存储树的节点信息。
性能开销	插入和删除操作的时间复杂度为 O(log n)，对于某些高性能要求的应用来说，可能不如哈希表（如 unordered_map）高效。

1.3 使用场景

map常用于需要快速根据键来查找、插入或删除值的情况。例如：

使用场景	描述
有序存储	当需要按键的顺序进行遍历或查找时，map 是理想的选择。例如，存储需要按日期排序的日志记录。
快速查找	需要在大量数据中快速查找某个键对应的值时，map 可以提供高效的查找能力。
键值对存储	需要存储一些关联关系的数据，如学生 ID 和学生信息的关联、单词和其出现频率的关联等。
唯一键要求	需要确保每个键是唯一的场景，如用户 ID 映射到用户信息的存储。

二、map常用的操作

2.1 创建、初始化以及遍历容器

#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{
	// 使用默认构造函数创建一个空的map
	std::map<int, std::string> myMap;

    // 使用列表初始化创建并初始化map
	std::map<int, std::string> myMap2 = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};

	// 使用auto遍历
	for (const auto &pair : myMap2) {
		std::cout << "Key: " << pair.first << ", Value: " << pair.second << std::endl;
	}

	// 使用迭代器遍历
    // for (std::map::iterator it = myMap2.begin(); it != myMap2.end(); it++) {
    //     std::cout << "Key: " << it->first << ", Value: " << it->second << std::endl;
    // }

	return 0;
}

编译后输出如下

jeff@jeff:/tmp$ g++ -o main main.cpp
jeff@jeff:/tmp$ ./main
Key: 1, Value: one
Key: 2, Value: two
Key: 3, Value: three
jeff@jeff:/tmp$

2.2 查询容器大小

#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{
	// 使用默认构造函数创建一个空的map
	std::map<int, std::string> myMap;
	std::cout << "myMap.size:" << myMap.size() << std::endl;

    // 使用列表初始化创建并初始化map
	std::map<int, std::string> myMap2 = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};
	std::cout << "myMap2.size:" << myMap2.size() << std::endl;

	return 0;
}

编译后输出如下

jeff@jeff:/tmp$ g++ -o main main.cpp
jeff@jeff:/tmp$ ./main
myMap.size:0
myMap2.size:3
jeff@jeff:/tmp$

2.3 访问容器中的元素

#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{
	// 使用列表初始化创建并初始化map
	std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};

    // 使用 at() 访问
    std::cout << "Key 1: " << myMap.at(1) << std::endl;

    // 使用 [] 操作符
    std::cout << "Key 2: " << myMap[2] << std::endl;

    // 使用 find()
    auto it = myMap.find(3);
    if (it != myMap.end()) {
        std::cout << "Key 3: " << it->second << std::endl;
    }

	return 0;
}

编译后输出如下

jeff@jeff:/tmp$ g++ -o main main.cpp
jeff@jeff:/tmp$ ./main
Key 1: one
Key 2: two
Key 3: three
jeff@jeff:/tmp$

2.4 往容器中添加元素

#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{
	// 使用列表初始化创建并初始化map
	std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};

    // 使用 insert()
    myMap.insert(std::make_pair(4, "four"));

    // 使用 [] 操作符
    myMap[5] = "five";

    for (const auto& pair : myMap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

	return 0;
}

编译后输出如下

jeff@jeff:/tmp$ g++ -o main main.cpp
jeff@jeff:/tmp$ ./main
1: one
2: two
3: three
4: four
5: five
jeff@jeff:/tmp$

2.5 删除容器中的元素

#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{
	// 使用列表初始化创建并初始化map
	std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}, {4, "four"}, {5, "five"}};

	std::cout << "before erase" << std::endl;
    for (const auto& pair : myMap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

	// 通过键删除元素
	myMap.erase(1);

	// 通过迭代器删除元素
	auto it = myMap.find(4);
	if (it != myMap.end()) {
		myMap.erase(it);

	std::cout << "after erase" << std::endl;	}
	for (const auto& pair : myMap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

	return 0;
}

编译后输出如下

jeff@jeff:/tmp$ ./main
before erase
1: one
2: two
3: three
4: four
5: five
after erase
2: two
3: three
5: five
jeff@jeff:/tmp$

2.6 清空容器中的元素

std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};

// 清空容器
myMap.clear();
std::cout << "Size after clearing: " << myMap.size() << std::endl;

三、扩展

3.1 红黑树的概念

std::map 在C++ STL（标准模板库）中的底层实现通常依赖于红黑树（Red-Black Tree）这种数据结构。红黑树是一种特殊的自平衡二叉搜索树，它通过颜色和一系列的调整规则来保持树的平衡性，从而保证了高效的查找、插入和删除操作。

3.2 红黑树的主要特性

3.2.1 自平衡

红黑树通过颜色（红色或黑色）和一系列旋转操作来维持树的平衡，确保在最坏情况下查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)，其中n是树中节点的数量。

3.2.1 颜色规则

1. 每个节点要么是红色，要么是黑色。
2. 根节点是黑色的。
3. 每个叶子节点（NIL或空节点）都是黑色的。
4. 如果一个节点是红色的，则它的两个子节点都是黑色的（即不存在两个红色节点相邻的情况）。
5. 从任一节点到其每个叶子节点的所有路径都包含相同数量的黑色节点。

3.3 红黑树在std::map中的应用

1. std::map是一个基于红黑树的关联容器，它存储键值对，并根据键进行排序。
2. 由于红黑树的自平衡特性，std::map在插入、删除和查找操作时能够保持相对稳定的性能。
3. std::map中的元素总是按键的升序排列，这是因为红黑树本身就是一种有序的树结构。

3.4 为什么要使用红黑树？

1. 红黑树相对于其他二叉搜索树（如AVL树）来说，其平衡性要求较低，因此插入和删除操作的旋转次数相对较少，从而提高了效率。
2. 红黑树在保持平衡的同时，还能保证查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)，这使得它在处理大量数据时非常高效。

总的来说，红黑树在std::map中的应用为C++程序员提供了一种高效、有序且稳定的键值对存储方式。