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C++ STL无序容器(哈希容器)是什么?

继 map、multimap、set、multiset 关联式容器之后,从本节开始,再讲解一类“特殊”的关联式容器,它们常被称为“无序容器”、“哈希容器”或者“无序关联容器”。

注意,无序容器是 C++ 11 标准才正式引入到 STL 标准库中的,这意味着如果要使用该类容器,则必须选择支持 C++ 11 标准的编译器。

和关联式容器一样,无序容器也使用键值对(pair 类型)的方式存储数据。不过,本教程将二者分开进行讲解,因为它们有本质上的不同:
  • 关联式容器的底层实现采用的树存储结构,更确切的说是红黑树结构;
  • 无序容器的底层实现采用的是哈希表的存储结构。

C++ STL 底层采用哈希表实现无序容器时,会将所有数据存储到一整块连续的内存空间中,并且当数据存储位置发生冲突时,解决方法选用的是“链地址法”(又称“开链法”)。有关哈希表存储结构,读者可阅读《哈希表(散列表)详解》一文做详细了解。

基于底层实现采用了不同的数据结构,因此和关联式容器相比,无序容器具有以下 2 个特点:
  1. 无序容器内部存储的键值对是无序的,各键值对的存储位置取决于该键值对中的键,
  2. 和关联式容器相比,无序容器擅长通过指定键查找对应的值(平均时间复杂度为 O(1));但对于使用迭代器遍历容器中存储的元素,无序容器的执行效率则不如关联式容器。

C++ STL无序容器种类

和关联式容器一样,无序容器只是一类容器的统称,其包含有 4 个具体容器,分别为 unordered_mapunordered_multimapunordered_set 以及 unordered_multiset

表 1 对这 4 种无序容器的功能做了详细的介绍。

表 1 无序容器种类
无序容器 功能
unordered_map  存储键值对 <key, value> 类型的元素,其中各个键值对键的值不允许重复,且该容器中存储的键值对是无序的。
unordered_multimap 和 unordered_map 唯一的区别在于,该容器允许存储多个键相同的键值对。
unordered_set 不再以键值对的形式存储数据,而是直接存储数据元素本身(当然也可以理解为,该容器存储的全部都是键 key 和值 value 相等的键值对,正因为它们相等,因此只存储 value 即可)。另外,该容器存储的元素不能重复,且容器内部存储的元素也是无序的。
unordered_multiset 和 unordered_set 唯一的区别在于,该容器允许存储值相同的元素。

可能读者已经发现,以上 4 种无序容器的名称,仅是在前面所学的 4 种关联式容器名称的基础上,添加了 "unordered_"。如果读者已经学完了 map、multimap、set 和 multiset 容器不难发现,以 map 和 unordered_map 为例,其实它们仅有一个区别,即 map 容器内存会对存储的键值对进行排序,而 unordered_map 不会。

也就是说,C++ 11 标准的 STL 中,在已提供有 4 种关联式容器的基础上,又新增了各自的“unordered”版本(无序版本、哈希版本),提高了查找指定元素的效率。


有读者可能会问,既然无序容器和之前所学的关联式容器类似,那么在实际使用中应该选哪种容器呢?总的来说,实际场景中如果涉及大量遍历容器的操作,建议首选关联式容器;反之,如果更多的操作是通过键获取对应的值,则应首选无序容器。

为了加深读者对无序容器的认识,这里以 unordered_map 容器为例,举个例子(不必深究该容器的具体用法):
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;

int main()
{
    //创建并初始化一个 unordered_map 容器,其存储的 <string,string> 类型的键值对
    std::unordered_map<std::string, std::string> my_uMap{
        {"C语言教程","http://c.biancheng.net/c/"},
        {"Python教程","http://c.biancheng.net/python/"},
        {"Java教程","http://c.biancheng.net/java/"} };
    //查找指定键对应的值,效率比关联式容器高
    string str = my_uMap.at("C语言教程");
    cout << "str = " << str << endl;

    //使用迭代器遍历哈希容器,效率不如关联式容器
    for (auto iter = my_uMap.begin(); iter != my_uMap.end(); ++iter)
    {
        //pair 类型键值对分为 2 部分
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}
程序执行结果为:

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

关于 4 种无序容器各自的用法,后续章节会做详细讲解。

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