第十一章 关联容器

第十一章 关联容器

  • 关联容器和顺序容器的不同：关联容器中的元素时按照关键字来保存和访问的。
  • 关联容器支持通过关键字来高效地查找和读取元素，基本的关联容器类型是 map和 set。

关联容器类型：

容器类型 解释
按顺序存储
map 关键数组：保存关键字-值对
set 关键字即值，即只保存关键字的容器
multimap 支持同一个键多次出现的map
multiset 支持同一个键多次出现的set
无序集合
unordered_map 用哈希函数组织的map
unordered_set 用哈希函数组织的set
unordered_multimap 哈希组织的map，关键字可以重复出现
unordered_multiset 哈希组织的set，关键字可以重复出现

练习11.1

描述map和vector的不同。

解：

map 是关联容器， vector 是顺序容器。

练习11.2

分别给出最适合使用list、vector、deque、map以及set的例子。

解：

  • list：双向链表，适合频繁插入删除元素的场景。
  • vector：适合频繁访问元素的场景。
  • deque：双端队列，适合频繁在头尾插入删除元素的场景。
  • map：字典。
  • set：适合有序不重复的元素的场景。

练习11.3

编写你自己的单词计数程序。

解：

#include <string>
#include <map>
#include <iostream>
 
using namespace std;
 
int main(){
    map<string, int> word_count;
    string tmp;
    while (cin >> tmp){
        word_count[tmp] += 1;
    }
    for (const auto& elem : word_count)
		std::cout << elem.first << " : " << elem.second << endl;
	return 0;
}

练习11.4

扩展你的程序，忽略大小写和标点。例如，"example."、"example,"和"Example"应该递增相同的计数器。

解：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <cctype>
 
void word_count_pro(std::map<std::string, int>& m)
{
	std::string word;
	while (std::cin >> word)
	{
		for (auto& ch : word) 
			ch = tolower(ch);
		
		word.erase(std::remove_if(word.begin(), word.end(), ispunct),
			word.end());
		++m[word];
	}
	for (const auto& e : m) std::cout << e.first << " : " << e.second << "\n";
}
 
int main()
{
	std::map<std::string, int> m;
	word_count_pro(m);
 
	return 0;
}

关联容器概述

定义关联容器

  • 需要指定元素类型。
  • 列表初始化：
    • map：map<string, int> word_count = {{"a", 1}, {"b", 2}};
    • set：set<string> exclude = {"the", "a"};

练习11.5

解释map和set的区别。你如何选择使用哪个？

解：

map 是键值对，而 set 只有键没有值。当我需要存储键值对的时候使用 map，而只需要键的时候使用 set。

练习11.6

解释set和list的区别。你如何选择使用哪个？

set 是有序不重复集合，底层实现是红黑树，而 list 是无序可重复集合，底层实现是链表。

练习11.7

定义一个map，关键字是家庭的姓，值是一个vector，保存家中孩子（们）的名。编写代码，实现添加新的家庭以及向已有家庭中添加新的孩子。

解：

map<string, vector<string>> m;
for (string ln; cout << "Last name:\n", cin >> ln && ln != "@q";)
	for (string cn; cout << "|-Children's names:\n", cin >> cn && cn != "@q";)
		m[ln].push_back(cn);

练习11.8

编写一个程序，在一个vector而不是一个set中保存不重复的单词。使用set的优点是什么？

解：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
 
int main()
{
	std::vector<std::string> exclude = { "aa", "bb", "cc", "dd", "ee", "ff" };
	for (std::string word; std::cout << "Enter plz:\n", std::cin >> word;)
	{
		auto is_excluded = std::binary_search(exclude.cbegin(), exclude.cend(), word);
		auto reply = is_excluded ? "excluded" : "not excluded";
		std::cout << reply << std::endl;
	}
	return 0;
}

set的优点是集合本身的元素就是不重复。

关键字类型的要求

  • 对于有序容器，关键字类型必须定义元素比较的方法。默认是<。
  • 如果想传递一个比较的函数，可以这样定义：multiset<Sales_data, decltype(compareIsbn)*> bookstore(compareIsbn);

练习11.9

定义一个map，将单词与一个行号的list关联，list中保存的是单词所出现的行号。

解：

std::map<std::string, std::list<std::size_t>> m;

练习11.10

可以定义一个vector<int>::iterator 到 int 的map吗？list<int>::iterator 到 int 的map呢？对于两种情况，如果不能，解释为什么。

解：

可以定义 vector<int>::iterator 到 int 的map，但是不能定义 list<int>::iterator 到 int 的map。因为map的键必须实现 < 操作，list 的迭代器不支持比较运算。

练习11.11

不使用decltype 重新定义 bookstore。

解：

using Less = bool (*)(Sales_data const&, Sales_data const&);
std::multiset<Sales_data, Less> bookstore(less);

pair

  • 在utility头文件中定义。
  • 一个pair保存两个数据成员，两个类型不要求一样。

pair的操作：

操作 解释
pair<T1, T2> p; p是一个pair，两个类型分别是T1和T2的成员都进行了值初始化。
pair<T1, T2> p(v1, v2); first和second分别用v1和v2进行初始化。
pair<T1, T2>p = {v1, v2}; 等价于`p(v1, v2)
make_pair(v1, v2); pair的类型从v1和v2的类型推断出来。
p.first 返回p的名为first的数据成员。
p.second 返回p的名为second的数据成员。
p1 relop p2 运算关系符按字典序定义。
p1 == p2 必须两对元素两两相等
p1 != p2 同上

练习11.12

编写程序，读入string和int的序列，将每个string和int存入一个pair 中，pair保存在一个vector中。

解：

#include <vector>
#include <utility>
#include <string>
#include <iostream>
 
int main()
{
	std::vector<std::pair<std::string, int>> vec;
	std::string str;
	int i;
	while (std::cin >> str >> i)
		vec.push_back(std::pair<std::string, int>(str, i));
 
	for (const auto &p : vec)
		std::cout << p.first << ":" << p.second << std::endl;
}

练习11.13

在上一题的程序中，至少有三种创建pair的方法。编写此程序的三个版本，分别采用不同的方法创建pair。解释你认为哪种形式最易于编写和理解，为什么？

解：

vec.push_back(std::make_pair(str, i));
vec.push_back({ str, i });
vec.push_back(std::pair<string, int>(str, i));

使用花括号的初始化器最易于理解和编写。

练习11.14

扩展你在11.2.1节练习中编写的孩子姓达到名的map，添加一个pair的vector，保存孩子的名和生日。

解：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
#include <vector>
 
using std::ostream;
using std::cout;
using std::cin;
using std::endl;
using std::string;
using std::make_pair;
using std::pair;
using std::vector;
using std::map;
 
class Families
{
public:
	using Child = pair<string, string>;
	using Children = vector<Child>;
	using Data = map<string, Children>;
 
	void add(string const& last_name, string const& first_name, string birthday)
	{
		auto child = make_pair(first_name, birthday);
		_data[last_name].push_back(child);
	}
 
	void print() const
	{
		for (auto const& pair : _data)
		{
			cout << pair.first << ":\n";
			for (auto const& child : pair.second)
				cout << child.first << " " << child.second << endl;
			cout << endl;
		}
	}
 
private:
	Data _data;
};
 
int main()
{
	Families families;
	auto msg = "Please enter last name, first name and birthday:\n";
	for (string l, f, b; cout << msg, cin >> l >> f >> b; families.add(l, f, b));
	families.print();
 
	return 0;
}

关联容器操作

关联容器额外的类型别名：

类型别名 解释
key_type 此容器类型的关键字类型
mapped_type 每个关键字关联的类型，只适用于map
value_type 对于map，是pair<const key_type, mapped_type>; 对于set，和key_type相同。

关联容器迭代器

  • 解引用一个关联容器迭代器时，会得到一个类型为容器的value_type的值的引用。
  • set的迭代器是const的。
  • 遍历关联容器：使用begin和end，遍历map、multimap、set、multiset时，迭代器按关键字升序遍历元素。

练习11.15

对一个int到vector<int>的map，其mapped_type、key_type和 value_type分别是什么？

解：

  • mapped_type : vector<int>
  • key_type : int
  • value_type : std::pair<const int,vector >

练习11.16

使用一个map迭代器编写一个表达式，将一个值赋予一个元素。

解：

std::map<int, string>::iterator it = m.begin();
it->second = "hello";

练习11.17

假定c是一个string的multiset，v 是一个string 的vector，解释下面的调用。指出每个调用是否合法：

copy(v.begin(), v.end(), inserter(c, c.end()));
copy(v.begin(), v.end(), back_inserter(c));
copy(c.begin(), c.end(), inserter(v, v.end()));
copy(c.begin(), c.end(), back_inserter(v));

解：

第二个调用不合法，因为 multiset 没有 push_back 方法。其他调用都合法。

练习11.18

写出第382页循环中map_it 的类型，不要使用auto 或 decltype。

解：

map<string, size_t>::const_iterator map_it = word_count.cbegin();

练习11.19

定义一个变量，通过对11.2.2节中的名为 bookstore 的multiset 调用begin()来初始化这个变量。写出变量的类型，不要使用auto 或 decltype。

解：

using compareType = bool (*)(const Sales_data &lhs, const Sales_data &rhs);
std::multiset<Sales_data, compareType> bookstore(compareIsbn);
std::multiset<Sales_data, compareType>::iterator c_it = bookstore.begin();

添加元素

关联容器insert操作：

insert操作 关联容器
c.insert(v) c.emplace(args) v是value_type类型的对象；args用来构造一个元素。 对于map和set，只有元素的关键字不存在c中才插入或构造元素。函数返回一个pair，包含一个迭代器，指向具有指定关键字的元素，以及一个指示插入是否成功的bool值。对于multimap和multiset则会插入范围中的每个元素。
c.insert(b, e) c.insert(il) b和e是迭代器，表示一个c::value_type类型值的范围；il是这种值的花括号列表。函数返回void。对于 map和set，只插入关键字不在c中的元素。
c.insert(p, v) c.emplace(p, args) 类似insert(v)，但将迭代器p作为一个提示，指出从哪里开始搜索新元素应该存储的位置。返回一个迭代器，指向具有给定关键字的元素。

向map添加元素：

  • word_count.insert({word, 1});
  • word_count.insert(make_pair(word, 1));
  • word_count.insert(pair<string, size_t>(word, 1));
  • word_count.insert(map<string, size_t>::value_type (word, 1));

练习11.20

重写11.1节练习的单词计数程序，使用insert代替下标操作。你认为哪个程序更容易编写和阅读？解释原因。

解：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
 
using std::string;
using std::map;
using std::cin;
using std::cout;
 
int main()
{
	map<string, size_t> counts;
	for (string word; cin >> word;)
	{
		auto result = counts.insert({ word, 1 });
		if (!result.second)
			++result.first->second;
	}
	for (auto const& count : counts)
		cout << count.first << " " << count.second << ((count.second > 1) ? " times\n" : " time\n");
 
	return 0;
}

使用insert更容易阅读和编写。insert有返回值，可以明确的体现出插入操作的结果。

练习11.21

假定word_count是一个string到size_t的map，word是一个string，解释下面循环的作用：

while (cin >> word)
	++word_count.insert({word, 0}).first->second;

解：

这条语句等价于：

while (cin >> word)
{
	auto result = word_count.insert({word, 0});
	++(result.first->second);
}

若insert成功：先添加一个元素，然后返回一个 pair，pair 的 first元素是一个迭代器。这个迭代器指向刚刚添加的元素，这个元素是pair，然后递增pair的second成员。
若insert失败：递增已有指定关键字的元素的 second成员。

练习11.22

给定一个map<string, vector<int>>，对此容器的插入一个元素的insert版本，写出其参数类型和返回类型。

std::pair<std::string, std::vector<int>>    // 参数类型
std::pair<std::map<std::string, std::vector<int>>::iterator, bool> // 返回类型

练习11.23

11.2.1节练习中的map 以孩子的姓为关键字，保存他们的名的vector，用multimap 重写此map。

解：

#include <map>
#include <string>
#include <iostream>
 
using std::string;
using std::multimap;
using std::cin;
using std::endl;
 
int main()
{
    multimap<string, string> families;
    for (string lname, cname; cin >> cname >> lname; families.emplace(lname, cname));
    for (auto const& family : families)
        std::cout << family.second << " " << family.first << endl;
}

删除元素

从关联容器中删除元素：

操作 解释
c.erase(k) 从c中删除每个关键字为k的元素。返回一个size_type值，指出删除的元素的数量。
c.erase(p) 从c中删除迭代器p指定的元素。p必须指向c中一个真实元素，不能等于c.end()。返回一个指向p之后元素的迭代器，若p指向c中的尾元素，则返回c.end()
c.erase(b, e) 删除迭代器对b和e所表示范围中的元素。返回e。

下标操作

map和unordered_map的下标操作：

操作 解释
c[k] 返回关键字为k的元素；如果k不在c中，添加一个关键字为k的元素，对其值初始化。
c.at(k) 访问关键字为k的元素，带参数检查；若k不存在在c中，抛出一个out_of_range异常。

练习11.24

下面的程序完成什么功能？

map<int, int> m;
m[0] = 1;

解：

添加一个元素到map中，如果该键存在，则重新赋值。

练习11.25

对比下面的程序与上一题程序

vector<int> v;
v[0] = 1;

解：

未定义行为，vector 的下标越界访问。

练习11.26

可以用什么类型来对一个map进行下标操作？下标运算符返回的类型是什么？请给出一个具体例子——即，定义一个map，然后写出一个可以用来对map进行下标操作的类型以及下标运算符将会返会的类型。

解：

std::map<int, std::string> m = { { 1,"ss" },{ 2,"sz" } };
using KeyType = std::map<int, std::string>::key_type;	
using ReturnType = std::map<int, std::string>::mapped_type;

查找元素

在一个关联容器中查找元素:

操作 解释
c.find(k) 返回一个迭代器，指向第一个关键字为k的元素，若k不在容器中，则返回尾后迭代器
c.count(k) 返回关键字等于k的元素的数量。对于不允许重复关键字的容器，返回值永远是0或1。
c.lower_bound(k) 返回一个迭代器，指向第一个关键字不小于k的元素。
c.upper_bound(k) 返回一个迭代器，指向第一个关键字大于k的元素。
c.equal_range(k) 返回一个迭代器pair，表示关键字等于k的元素的范围。若k不存在，pair的两个成员均等于c.end()。
  • lower_bound和upper_bound不适用于无序容器。
  • 下标和at操作只适用于非const的map和unordered_map。

练习11.27

对于什么问题你会使用count来解决？什么时候你又会选择find呢？

解：

对于允许重复关键字的容器，应该用 count ; 对于不允许重复关键字的容器，应该用 find 。

练习11.28

对一个string到int的vector的map，定义并初始化一个变量来保存在其上调用find所返回的结果。

解：

map<string, vector<int>> m;
map<string, vector<int>>::iterator it = m.find("key");

练习11.29

如果给定的关键字不在容器中，upper_bound、lower_bound 和 equal_range 分别会返回什么？

解：

如果给定的关键字不在容器中，则 lower_bound和 upper_bound 会返回相等的迭代器，指向一个不影响排序的关键字插入位置。而equal_range 会返回一个 pair，pair 中的两个迭代器都指向关键字可以插入的位置。

练习11.30

对于本节最后一个程序中的输出表达式，解释运算对象pos.first->second的含义。

解：

pos 是一个pair，pos.first 是一个迭代器，指向匹配关键字的元素，该元素是一个 pair，访问该元素的第二个成员。

练习11.31

编写程序，定义一个作者及其作品的multimap。使用find在multimap中查找一个元素并用erase删除它。确保你的程序在元素不在map 中时也能正常运行。

解：

#include <map>
#include <string>
#include <iostream>
 
using std::string;
 
int main()
{
	std::multimap<string, string> authors{
		{ "alan", "DMA" },
		{ "pezy", "LeetCode" },
		{ "alan", "CLRS" },
		{ "wang", "FTP" },
		{ "pezy", "CP5" },
		{ "wang", "CPP-Concurrency" } };
 
	string author = "pezy";
	string work = "CP5";
 
	auto found = authors.find(author);
	auto count = authors.count(author);
	while (count)
	{
		if (found->second == work)
		{
			authors.erase(found);
			break;
		}
		++found;
		--count;
	}
 
	for (const auto &author : authors)
		std::cout << author.first << " " << author.second << std::endl;
 
	return 0;
}

练习11.32

使用上一题定义的multimap编写一个程序，按字典序打印作者列表和他们的作品。

解：

#include <map>
#include <set>
#include <string>
#include <iostream>
 
using std::string;
 
int main()
{
	std::multimap<string, string> authors{
		{ "alan", "DMA" },
		{ "pezy", "LeetCode" },
		{ "alan", "CLRS" },
		{ "wang", "FTP" },
		{ "pezy", "CP5" },
		{ "wang", "CPP-Concurrency" } };
	std::map<string, std::multiset<string>> order_authors;
 
	for (const auto &author : authors)
		order_authors[author.first].insert(author.second);
 
	for (const auto &author : order_authors)
	{
		std::cout << author.first << ": ";
		for (const auto &work : author.second)
			std::cout << work << " ";
		std::cout << std::endl;
	}
 
	return 0;
}

一个单词转换的map

练习11.33

实现你自己版本的单词转换程序。

解：

#include <map>
#include <string>
#include <fstream> 
#include <iostream>
#include <sstream>
 
using std::string; using std::ifstream;
 
std::map<string, string> buildMap(ifstream &map_file)
{
    std::map<string, string> trans_map;
    for (string key, value; map_file >> key && getline(map_file, value); )
        if (value.size() > 1) trans_map[key] = value.substr(1).substr(0, value.find_last_not_of(' '));
    return trans_map;
}
 
const string & transform(const string &s, const std::map<string, string> &m)
{
    auto map_it = m.find(s);
    return map_it == m.cend() ? s : map_it->second;
}
 
void word_transform(ifstream &map, ifstream &input)
{
    auto trans_map = buildMap(map);
    for (string text; getline(input, text); ) {
        std::istringstream iss(text);
        for (string word; iss >> word; )
            std::cout << transform(word, trans_map) << " ";
        std::cout << std::endl;
    }
}
 
int main()
{
    ifstream ifs_map("../data/word_transformation_bad.txt"), ifs_content("../data/given_to_transform.txt");
    if (ifs_map && ifs_content) word_transform(ifs_map, ifs_content);
    else std::cerr << "can't find the documents." << std::endl;
}

练习11.34

如果你将transform 函数中的find替换为下标运算符，会发生什么情况？

解：

如果使用下标运算符，当关键字未在容器中时，会往容器中添加一个新元素。

练习11.35

在buildMap中，如果进行如下改写，会有什么效果？

trans_map[key] = value.substr(1);
//改为
trans_map.insert({key, value.substr(1)});

解：

当一个转换规则的关键字多次出现的时候，使用下标运算符会保留最后一次添加的规则，而用insert则保留第一次添加的规则。

练习11.36

我们的程序并没检查输入文件的合法性。特别是，它假定转换规则文件中的规则都是有意义的。如果文件中的某一行包含一个关键字、一个空格，然后就结束了，会发生什么？预测程序的行为并进行验证，再与你的程序进行比较。

解：

如果关键字没有对应的规则，那么程序会抛出一个 runtime_error。

无序容器

  • 有序容器使用比较运算符来组织元素；无序容器使用哈希函数和关键字类型的==运算符。
  • 理论上哈希技术可以获得更好的性能。
  • 无序容器在存储上组织为一组桶(bucket)，每个桶保存零个或多个元素。无序容器使用一个哈希函数将元素映射到桶。

无序容器管理操作：

操作 解释
桶接口
c.bucket_count() 正在使用的桶的数目
c.max_bucket_count() 容器能容纳的最多的桶的数目
c.bucket_size(n) 第n个桶中有多少个元素
c.bucket(k) 关键字为k的元素在哪个桶中
桶迭代
local_iterator 可以用来访问桶中元素的迭代器类型
const_local_iterator 桶迭代器的const版本
c.begin(n)，c.end(n) 桶n的首元素迭代器
c.cbegin(n)，c.cend(n) 与前两个函数类似，但返回const_local_iterator。
哈希策略
c.load_factor() 每个桶的平均元素数量，返回float值。
c.max_load_factor() c试图维护的平均比桶大小，返回float值。c会在需要时添加新的桶，以使得load_factor<=max_load_factor
c.rehash(n) 重组存储，使得bucket_count>=n，且bucket_count>size/max_load_factor
c.reverse(n) 重组存储，使得c可以保存n个元素且不必rehash。

练习11.37

一个无序容器与其有序版本相比有何优势？有序版本有何优势？

无序容器拥有更好的性能，有序容器使得元素始终有序。

练习11.38

用 unordered_map 重写单词计数程序和单词转换程序。

解：

#include <unordered_map>
#include <set>
#include <string>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sstream>
 
using std::string;
 
void wordCounting()
{
    std::unordered_map<string, size_t> word_count;
    for (string word; std::cin >> word; ++word_count[word]);
    for (const auto &w : word_count)
        std::cout << w.first << " occurs " << w.second << (w.second > 1 ? "times" : "time") << std::endl;
}
 
void wordTransformation()
{
    std::ifstream ifs_map("../data/word_transformation.txt"), ifs_content("../data/given_to_transform.txt");
    if (!ifs_map || !ifs_content) {
        std::cerr << "can't find the documents." << std::endl;
        return;
    }
    
    std::unordered_map<string, string> trans_map;
    for (string key, value; ifs_map >> key && getline(ifs_map, value); )
        if (value.size() > 1) trans_map[key] = value.substr(1).substr(0, value.find_last_not_of(' '));
    
    for (string text, word; getline(ifs_content, text); std::cout << std::endl)
        for (std::istringstream iss(text); iss >> word; ) {
            auto map_it = trans_map.find(word);
            std::cout << (map_it == trans_map.cend() ? word : map_it->second) << " ";
        }
}
 
int main()
{
    //wordCounting();
    wordTransformation();
}
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