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C++ STL unordered_map容器用法详解

 
C++ STL 标准库中提供有 4 种无序关联式容器,本节先讲解 unordered_map 容器

unordered_map 容器,直译过来就是"无序 map 容器"的意思。所谓“无序”,指的是 unordered_map 容器不会像 map 容器那样对存储的数据进行排序。换句话说,unordered_map 容器和 map 容器仅有一点不同,即 map 容器中存储的数据是有序的,而 unordered_map 容器中是无序的。

对于已经学过 map 容器的读者,可以将 unordered_map 容器等价为无序的 map 容器。

具体来讲,unordered_map 容器和 map 容器一样,以键值对(pair类型)的形式存储数据,存储的各个键值对的键互不相同且不允许被修改。但由于 unordered_map 容器底层采用的是哈希表存储结构,该结构本身不具有对数据的排序功能,所以此容器内部不会自行对存储的键值对进行排序。

值得一提的是,unordered_map 容器在<unordered_map>头文件中,并位于 std 命名空间中。因此,如果想使用该容器,代码中应包含如下语句:
#include <unordered_map>
using namespace std;

注意,第二行代码不是必需的,但如果不用,则后续程序中在使用此容器时,需手动注明 std 命名空间(强烈建议初学者使用)。

unordered_map 容器模板的定义如下所示:
template < class Key,                        //键值对中键的类型
           class T,                          //键值对中值的类型
           class Hash = hash<Key>,           //容器内部存储键值对所用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,       //判断各个键值对键相同的规则
           class Alloc = allocator< pair<const Key,T> >  // 指定分配器对象的类型
           > class unordered_map;
以上 5 个参数中,必须显式给前 2 个参数传值,并且除特殊情况外,最多只需要使用前 4 个参数,各自的含义和功能如表 1 所示。

表 1 unordered_map 容器模板类的常用参数
参数 含义
<key,T> 前 2 个参数分别用于确定键值对中键和值的类型,也就是存储键值对的类型。
Hash = hash<Key> 用于指明容器在存储各个键值对时要使用的哈希函数,默认使用 STL 标准库提供的 hash<key> 哈希函数。注意,默认哈希函数只适用于基本数据类型(包括 string 类型),而不适用于自定义的结构体或者类。
Pred = equal_to<Key> 要知道,unordered_map 容器中存储的各个键值对的键是不能相等的,而判断是否相等的规则,就由此参数指定。默认情况下,使用 STL 标准库中提供的 equal_to<key> 规则,该规则仅支持可直接用 == 运算符做比较的数据类型。

总的来说,当无序容器中存储键值对的键为自定义类型时,默认的哈希函数 hash 以及比较函数 equal_to 将不再适用,只能自己设计适用该类型的哈希函数和比较函数,并显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数。至于如何实现自定义,后续章节会做详细讲解。

创建C++ unordered_map容器的方法

常见的创建 unordered_map 容器的方法有以下几种。

1) 通过调用 unordered_map 模板类的默认构造函数,可以创建空的 unordered_map 容器。比如:
std::unordered_map<std::string, std::string> umap;
由此,就创建好了一个可存储 <string,string> 类型键值对的 unordered_map 容器。

2) 当然,在创建 unordered_map 容器的同时,可以完成初始化操作。比如:
std::unordered_map<std::string, std::string> umap{
    {"Python教程","http://c.biancheng.net/python/"},
    {"Java教程","http://c.biancheng.net/java/"},
    {"Linux教程","http://c.biancheng.net/linux/"} };
通过此方法创建的 umap 容器中,就包含有 3 个键值对元素。

3) 另外,还可以调用 unordered_map 模板中提供的复制(拷贝)构造函数,将现有 unordered_map 容器中存储的键值对,复制给新建 unordered_map 容器。

例如,在第二种方式创建好 umap 容器的基础上,再创建并初始化一个 umap2 容器:
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(umap);
由此,umap2 容器中就包含有 umap 容器中所有的键值对。

除此之外,C++ 11 标准中还向 unordered_map 模板类增加了移动构造函数,即以右值引用的方式将临时 unordered_map 容器中存储的所有键值对,全部复制给新建容器。例如:
//返回临时 unordered_map 容器的函数
std::unordered_map <std::string, std::string > retUmap(){
    std::unordered_map<std::string, std::string>tempUmap{
        {"Python教程","http://c.biancheng.net/python/"},
        {"Java教程","http://c.biancheng.net/java/"},
        {"Linux教程","http://c.biancheng.net/linux/"} };
    return tempUmap;
}
//调用移动构造函数,创建 umap2 容器
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(retUmap());
注意,无论是调用复制构造函数还是拷贝构造函数,必须保证 2 个容器的类型完全相同。

4) 当然,如果不想全部拷贝,可以使用 unordered_map 类模板提供的迭代器,在现有 unordered_map 容器中选择部分区域内的键值对,为新建 unordered_map 容器初始化。例如:
//传入 2 个迭代器,
std::unordered_map<std::string, std::string> umap2(++umap.begin(),umap.end());
通过此方式创建的 umap2 容器,其内部就包含 umap 容器中除第 1 个键值对外的所有其它键值对。

C++ unordered_map容器的成员方法

unordered_map 既可以看做是关联式容器,更属于自成一脉的无序容器。因此在该容器模板类中,既包含一些在学习关联式容器时常见的成员方法,还有一些属于无序容器特有的成员方法。

表 2 列出了 unordered_map 类模板提供的所有常用的成员方法以及各自的功能。

表 2 unordered_map类模板成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个键值对的正向迭代器。
end()  返回指向容器中最后一个键值对之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过在其基础上增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
cend() 和 end() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
empty() 若容器为空,则返回 true;否则 false。
size() 返回当前容器中存有键值对的个数。
max_size() 返回容器所能容纳键值对的最大个数,不同的操作系统,其返回值亦不相同。
operator[key] 该模板类中重载了 [] 运算符,其功能是可以向访问数组中元素那样,只要给定某个键值对的键 key,就可以获取该键对应的值。注意,如果当前容器中没有以 key 为键的键值对,则其会使用该键向当前容器中插入一个新键值对。
at(key) 返回容器中存储的键 key 对应的值,如果 key 不存在,则会抛出 out_of_range 异常。 
find(key) 查找以 key 为键的键值对,如果找到,则返回一个指向该键值对的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个键值对之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)。
count(key) 在容器中查找以 key 键的键值对的个数。
equal_range(key) 返回一个 pair 对象,其包含 2 个迭代器,用于表明当前容器中键为 key 的键值对所在的范围。
emplace() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高。
emplace_hint() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高。
insert()  向容器中添加新键值对。
erase() 删除指定键值对。
clear()  清空容器,即删除容器中存储的所有键值对。
swap() 交换 2 个 unordered_map 容器存储的键值对,前提是必须保证这 2 个容器的类型完全相等。
bucket_count() 返回当前容器底层存储键值对时,使用桶(一个线性链表代表一个桶)的数量。
max_bucket_count() 返回当前系统中,unordered_map 容器底层最多可以使用多少桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储键值对的数量。
bucket(key) 返回以 key 为键的键值对所在桶的编号。
load_factor() 返回 unordered_map 容器中当前的负载因子。负载因子,指的是的当前容器中存储键值对的数量(size())和使用桶数(bucket_count())的比值,即 load_factor() = size() / bucket_count()。
max_load_factor() 返回或者设置当前 unordered_map 容器的负载因子。
rehash(n) 将当前容器底层使用桶的数量设置为 n。
reserve() 将存储桶的数量(也就是 bucket_count() 方法的返回值)设置为至少容纳count个元(不超过最大负载因子)所需的数量,并重新整理容器。
hash_function() 返回当前容器使用的哈希函数对象。

注意,对于实现互换 2 个相同类型 unordered_map 容器的键值对,除了可以调用该容器模板类中提供的 swap() 成员方法外,STL 标准库还提供了同名的 swap() 非成员函数。


下面的样例演示了表 2 中部分成员方法的用法:
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int main()
{
    //创建空 umap 容器
    unordered_map<string, string> umap;
    //向 umap 容器添加新键值对
    umap.emplace("Python教程", "http://c.biancheng.net/python/");
    umap.emplace("Java教程", "http://c.biancheng.net/java/");
    umap.emplace("Linux教程", "http://c.biancheng.net/linux/");

    //输出 umap 存储键值对的数量
    cout << "umap size = " << umap.size() << endl;
    //使用迭代器输出 umap 容器存储的所有键值对
    for (auto iter = umap.begin(); iter != umap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}
程序执行结果为:

umap size = 3
Python教程 http://c.biancheng.net/python/
Linux教程 http://c.biancheng.net/linux/
Java教程 http://c.biancheng.net/java/

有关表 2 中其它成员方法的用法,后续章节会做详细讲解。当然,读者也可以自行查询 C++ STL标准库手册

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