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C++ STL关联式容器是什么?

在《C++ STL容器》一节中讲到,C++ 容器大致分为 2 类,即序列式容器和关联式容器。其中,序列式容器(包括 array、vector、list、deque 和 forward_list)已经在前面章节中做了详细的介绍,从本节开始,将逐个对 C++ STL 标准库中的所有关联式容器做详细的讲解。

提到 C++ STL 关联式容器,读者可能会以下一些疑问:
  • 关联式容器是什么,具有哪些特点?
  • 和序列式容器相比,关联式容器有什么不同?
  • 关联式容器的种类有哪些?

别急,读完本文,这些疑问都会迎刃而解。

C++ STL关联式容器是什么

通过学习所有的序列式容器不难发现,无论是哪种序列式容器,其存储的都是 C++ 基本数据类型(诸如 int、double、float、string 等)或使用结构体自定义类型的元素。例如,如下是一个存储 int 类型元素的 vector 容器:

std::vector<int> primes {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};


关联式容器则大不一样,此类容器在存储元素值的同时,还会为各元素额外再配备一个值(又称为“”,其本质也是一个 C++ 基础数据类型或自定义类型的元素),它的功能是在使用关联式容器的过程中,如果已知目标元素的键的值,则直接通过该键就可以找到目标元素,而无需再通过遍历整个容器的方式。

弃用序列式容器,转而选用关联式容器存储元素,往往就是看中了关联式容器可以快速查找、读取或者删除所存储的元素,同时该类型容器插入元素的效率也比序列式容器高。

也就是说,使用关联式容器存储的元素,都是一个一个的“键值对”( <key,value> ),这是和序列式容器最大的不同。除此之外,序列式容器中存储的元素默认都是未经过排序的,而使用关联式容器存储的元素,默认会根据各元素的键值的大小做升序排序。

注意,关联式容器所具备的这些特性,归咎于 STL 标准库在实现该类型容器时,底层选用了 「红黑树」这种数据结构来组织和存储各个键值对。有关红黑树组织和存储数据的方式,我们已经在数据结构中做了详细的介绍,读者可猛击《红黑树》一文做详细了解。

C++ STL关联式容器种类

C++ STL 标准库提供了 4 种关联式容器,分别为 map、set、multimap、multiset,其各自的特点如表 1 所示。

表 1 C++ STL关联式容器类别
关联式容器名称 特点
map 定义在 <map> 头文件中,使用该容器存储的数据,其各个元素的键必须是唯一的(即不能重复),该容器会根据各元素键的大小,默认进行升序排序(调用 std::less<T>)。
set 定义在 <set> 头文件中,使用该容器存储的数据,各个元素键和值完全相同,且各个元素的值不能重复(保证了各元素键的唯一性)。该容器会自动根据各个元素的键(其实也就是元素值)的大小进行升序排序(调用 std::less<T>)。
multimap 定义在 <map> 头文件中,和 map 容器唯一的不同在于,multimap 容器中存储元素的键可以重复。
multiset 定义在 <set> 头文件中,和 set 容器唯一的不同在于,multiset 容器中存储元素的值可以重复(一旦值重复,则意味着键也是重复的)。

除此之外,C++ 11 还新增了 4 种哈希容器,即 unordered_map、unordered_multimap 以及 unordered_set、unordered_multiset。严格来说,它们也属于关联式容器,但由于哈希容器底层采用的是哈希表,而不是红黑树,因此本教程将它们分开进行讲解(有关哈希容器,将放在后续章节做详细讲解)。


为了让读者直观地认识到关联式容器的特性,这里为 map 容器为例,编写了一个样例(如下所示)。对于该程序,读者只需体会关联式容器的特性即可,无需纠结 map 容器的具体用法。
#include <iostream>
#include <map> //使用 map 容器,必须引入该头文件
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
    //创建一个空的 map 关联式容器,该容器中存储的键值对,其中键为 string 字符串,值也为 string 字符串类型
    map<string, string> mymap;
    //向 mymap 容器中添加数据
    mymap["http://c.biancheng.net/c/"] = "C语言教程";
    mymap["http://c.biancheng.net/python/"] = "Python教程";
    mymap["http://c.biancheng.net/java/"] = "Java教程";

    //使用 map 容器的迭代器,遍历 mymap 容器,并输出其中存储的各个键值对
    for (map<string, string>::iterator it = mymap.begin(); it != mymap.end(); ++it) {
        //输出各个元素中的键和值
        cout << it->first << " => " << it->second << '\n';
    }
    return 0;
}
程序输出结果为:

http://c.biancheng.net/c/ => C语言教程
http://c.biancheng.net/java/ => Java教程
http://c.biancheng.net/python/ => Python教程


通过分析该程序的执行过程不难看出,mymap 关联式容器中的存储了以下 3 个键值对:

<"http://c.biancheng.net/c/", "C语言教程">
<"http://c.biancheng.net/python/", "Python教程">
<"http://c.biancheng.net/java/", "Java教程">

但需要注意的一点是,由于 map 容器在存储元素时,会根据各个元素键的大小自动调整元素的顺序(默认按照升序排序),因此该容器最终存储的元素顺序为:

<"http://c.biancheng.net/c/", "C语言教程">
<"http://c.biancheng.net/java/", "Java教程">
<"http://c.biancheng.net/python/", "Python教程">

有关 map 容器以及表 1 中其它关联式容器的具体用法,后续章节会做详细介绍。

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