C++ STL map容器

作为关联式容器的一种，map 容器存储的都是 pair 对象，也就是用 pair 类模板创建的键值对。其中，各个键值对的键和值可以是任意数据类型，包括 C++ 基本数据类型（int、double 等）、使用结构体或类自定义的类型。

通常情况下，map 容器中存储的各个键值对都选用 string 字符串作为键的类型。

与此同时，在使用 map 容器存储多个键值对时，该容器会自动根据各键值对的键的大小，按照既定的规则进行排序。默认情况下，map 容器选用std::less<T>排序规则（其中 T 表示键的数据类型），其会根据键的大小对所有键值对做升序排序。当然，根据实际情况的需要，我们可以手动指定 map 容器的排序规则，既可以选用 STL 标准库中提供的其它排序规则（比如std::greater<T>），也可以自定义排序规则。

另外需要注意的是，使用 map 容器存储的各个键值对，键的值既不能重复也不能被修改。换句话说，map 容器中存储的各个键值对不仅键的值独一无二，键的类型也会用 const 修饰，这意味着只要键值对被存储到 map 容器中，其键的值将不能再做任何修改。

map 容器存储的都是 pair<const K, T> 类型（其中 K 和 T 分别表示键和值的数据类型）的键值对元素。

map 容器定义在 <map> 头文件中，并位于 std 命名空间中。

创建map容器

map 容器的模板定义如下：

template < class Key, // 指定键（key）的类型
　　　　　　 class T, // 指定值（value）的类型
　　　　　　 class Compare = less<Key>, // 指定排序规则
　　　　　　 class Alloc = allocator<pair<const Key,T> > // 指定分配器对象的类型
　　　　　 > class map;

可以看到，map 容器模板有 4 个参数，其中后 2 个参数都设有默认值。大多数场景中，我们只需要设定前 2 个参数的值，有些场景可能会用到第 3 个参数，但最后一个参数几乎不会用到。

1) 通过调用 map 容器类的默认构造函数，可以创建出一个空的 map 容器，比如：

std::map<std::string, int>myMap;

通过此方式创建出的 myMap 容器，初始状态下是空的，即没有存储任何键值对。鉴于空 map 容器可以根据需要随时添加新的键值对，因此创建空 map 容器是比较常用的。
2) 当然在创建 map 容器的同时，也可以进行初始化，比如：

std::map<std::string, int>myMap{ {"C语言教程",10},{"STL教程",20} };

由此，myMap 容器在初始状态下，就包含有 2 个键值对。
再次强调，map 容器中存储的键值对，其本质都是 pair 类模板创建的 pair 对象。因此，下面程序也可以创建出一模一样的 myMap 容器：

std::map<std::string, int>myMap{std::make_pair("C语言教程",10),std::make_pair("STL教程",20)};

3) 除此之外，在某些场景中，可以利用先前已创建好的 map 容器，再创建一个新的 map 容器。例如：

std::map<std::string, int>newMap(myMap);

由此，通过调用 map 容器的拷贝（复制）构造函数，即可成功创建一个和 myMap 完全一样的 newMap 容器。
C++ 11 标准中，还为 map 容器增添了移动构造函数。当有临时的 map 对象作为参数，传递给要初始化的 map 容器时，此时就会调用移动构造函数。举个例子：

#创建一个会返回临时 map 对象的函数
std::map<std::string,int> disMap() {
　　std::map<std::string, int>tempMap{ {"C语言教程",10},{"STL教程",20} };
　　return tempMap;
}
//调用 map 类模板的移动构造函数创建 newMap 容器
std::map<std::string, int>newMap(disMap());

注意，无论是调用复制构造函数还是调用拷贝构造函数，都必须保证这 2 个容器的类型完全一致。

4) map 类模板还支持取已建 map 容器中指定区域内的键值对，创建并初始化新的 map 容器。例如：

std::map<std::string, int>myMap{ {"C语言教程",10},{"STL教程",20} };
std::map<std::string, int>newMap(++myMap.begin(), myMap.end());

这里，通过调用 map 容器的双向迭代器，实现了在创建 newMap 容器的同时，将其初始化为包含一个 {"STL教程",20} 键值对的容器。

5) 在以上几种创建 map 容器的基础上，我们都可以手动修改 map 容器的排序规则。默认情况下，map 容器调用 std::less<T> 规则，根据容器内各键值对的键的大小，对所有键值对做升序排序。
因此，如下 2 行创建 map 容器的方式，其实是等价的：

std::map<std::string, int>myMap{ {"C语言教程",10},{"STL教程",20} };
std::map<std::string, int, std::less<std::string> >myMap{ {"C语言教程",10},{"STL教程",20} };

以上 2 中创建方式生成的 myMap 容器，其内部键值对排列的顺序为：

<"C语言教程", 10>
<"STL教程", 20>

下面程序手动修改了 myMap 容器的排序规则，令其作降序排序：

std::map<std::string, int, std::greater<std::string> >myMap{ {"C语言教程",10},{"STL教程",20} };

此时，myMap 容器内部键值对排列的顺序为：

<"STL教程", 20>
<"C语言教程", 10>

map的成员方法

成员方法	功能
begin()	返回指向容器中第一个（注意，是已排好序的第一个）键值对的双向迭代器。如果 map 容器用 const 限定，则该方法返回的是 const 类型的双向迭代器。
end()	返回指向容器最后一个元素（注意，是已排好序的最后一个）所在位置后一个位置的双向迭代器，通常和 begin() 结合使用。如果 map 容器用 const 限定，则该方法返回的是 const 类型的双向迭代器。
rbegin()	返回指向最后一个（注意，是已排好序的最后一个）元素的反向双向迭代器。如果 map 容器用 const 限定，则该方法返回的是 const 类型的反向双向迭代器。
rend()	返回指向第一个（注意，是已排好序的第一个）元素所在位置前一个位置的反向双向迭代器。如果 map 容器用 const 限定，则该方法返回的是 const 类型的反向双向迭代器。
cbegin()	和 begin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，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，不能用于修改容器内存储的键值对。
crbegin()	和 rbegin() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改容器内存储的键值对。
crend()	和 rend() 功能相同，只不过在其基础上，增加了 const 属性，不能用于修改容器内存储的键值对。
find(key)	在 map 容器中查找键为 key 的键值对，如果成功找到，则返回指向该键值对的双向迭代器；反之，则返回和 end() 方法一样的迭代器。另外，如果 map 容器用 const 限定，则该方法返回的是 const 类型的双向迭代器。
lower_bound(key)	返回一个指向当前 map 容器中第一个大于或等于 key 的键值对的双向迭代器。如果 map 容器用 const 限定，则该方法返回的是 const 类型的双向迭代器。
upper_bound(key)	返回一个指向当前 map 容器中第一个大于 key 的键值对的迭代器。如果 map 容器用 const 限定，则该方法返回的是 const 类型的双向迭代器。
equal_range(key)	该方法返回一个 pair 对象（包含 2 个双向迭代器），其中 pair.first 和 lower_bound() 方法的返回值等价，pair.second 和 upper_bound() 方法的返回值等价。也就是说，该方法将返回一个范围，该范围中包含的键为 key 的键值对（map 容器键值对唯一，因此该范围最多包含一个键值对）。
empty()	若容器为空，则返回 true；否则 false。
size()	返回当前 map 容器中存有键值对的个数。
max_size()	返回 map 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[]	map容器重载了 [] 运算符，只要知道 map 容器中某个键值对的键的值，就可以向获取数组中元素那样，通过键直接获取对应的值。
at(key)	找到 map 容器中 key 键对应的值，如果找不到，该函数会引发 out_of_range 异常。
insert()	向 map 容器中插入键值对。
erase()	删除 map 容器指定位置、指定键（key）值或者指定区域内的键值对。后续章节还会对该方法做重点讲解。
swap()	交换 2 个 map 容器中存储的键值对，这意味着，操作的 2 个键值对的类型必须相同。
clear()	清空 map 容器中所有的键值对，即使 map 容器的 size() 为 0。
emplace()	在当前 map 容器中的指定位置处构造新键值对。其效果和插入键值对一样，但效率更高。
emplace_hint()	在本质上和 emplace() 在 map 容器中构造新键值对的方式是一样的，不同之处在于，使用者必须为该方法提供一个指示键值对生成位置的迭代器，并作为该方法的第一个参数。
count(key)	在当前 map 容器中，查找键为 key 的键值对的个数并返回。注意，由于 map 容器中各键值对的键的值是唯一的，因此该函数的返回值最大为 1。

[] & at()函数

map 类模板中对[ ]运算符进行了重载，这意味着，类似于借助数组下标可以直接访问数组中元素，通过指定的键，我们可以轻松获取 map 容器中该键对应的值。

只有当 map 容器中确实存有包含该指定键的键值对，借助重载的 [ ] 运算符才能成功获取该键对应的值；反之，若当前 map 容器中没有包含该指定键的键值对，则此时使用 [ ] 运算符将不再是访问容器中的元素，而变成了向该 map 容器中增添一个键值对。其中，该键值对的键用 [ ] 运算符中指定的键，其对应的值取决于 map 容器规定键值对中值的数据类型，如果是基本数据类型，则值为 0；如果是 string 类型，其值为 ""，即空字符串（即使用该类型的默认值作为键值对的值）。

[ ] 运算符确实有“为 map 容器添加新键值对”的功能，但前提是要保证新添加键值对的键和当前 map 容器中已存储的键值对的键都不一样。

除了借助 [ ] 运算符获取 map 容器中指定键对应的值，还可以使用 at() 成员方法。和前一种方法相比，at() 成员方法也需要根据指定的键，才能从容器中找到该键对应的值；不同之处在于，如果在当前容器中查找失败，该方法不会向容器中添加新的键值对，而是直接抛出 out_of_range 异常。

insert()函数

除了使用 [ ] 运算符实现向 map 容器中添加新键值对外，map 类模板中还提供有 insert() 成员方法，该方法专门用来向 map 容器中插入新的键值对。

注意，这里所谓的“插入”，指的是 insert() 方法可以将新的键值对插入到 map 容器中的指定位置，但这与 map 容器会自动对存储的键值对进行排序并不冲突。当使用 insert() 方法向 map 容器的指定位置插入新键值对时，其底层会先将新键值对插入到容器的指定位置，如果其破坏了 map 容器的有序性，该容器会对新键值对的位置进行调整。

1) 无需指定插入位置，直接将键值对添加到 map 容器中。insert() 方法的语法格式有以下 2 种：

//1、引用传递一个键值对
template <class P>
pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);
//2、以右值引用的方式传递键值对
template <class P> 
pair<iterator,bool> insert (P&& val);

其中，val 参数表示键值对变量，同时该方法会返回一个 pair 对象，其中 pair.first 表示一个迭代器，pair.second 为一个 bool 类型变量：

如果成功插入 val，则该迭代器指向新插入的 val，bool 值为 true；
如果插入 val 失败，则表明当前 map 容器中存有和 val 的键相同的键值对（用 p 表示），此时返回的迭代器指向 p，bool 值为 false。

以上 2 种语法格式的区别在于传递参数的方式不同，即无论是局部定义的键值对变量还是全局定义的键值对变量，都采用普通引用传递的方式；而对于临时的键值对变量，则以右值引用的方式传参。

2) 除此之外，insert() 方法还支持向 map 容器的指定位置插入新键值对，该方法的语法格式如下：

//以普通引用的方式传递 val 参数
template <class P>
iterator insert (const_iterator position, const value_type& val);
//以右值引用的方式传递 val 键值对参数
template <class P>
iterator insert (const_iterator position, P&& val);

其中 val 为要插入的键值对变量。注意，和第 1 种方式的语法格式不同，这里 insert() 方法返回的是迭代器，而不再是 pair 对象：

如果插入成功，insert() 方法会返回一个指向 map 容器中已插入键值对的迭代器；
如果插入失败，insert() 方法同样会返回一个迭代器，该迭代器指向 map 容器中和 val 具有相同键的那个键值对。

再次强调，即便指定了新键值对的插入位置，map 容器仍会对存储的键值对进行排序。也可以说，决定新插入键值对位于 map 容器中位置的，不是 insert() 方法中传入的迭代器，而是新键值对中键的值。

3) insert() 方法还支持向当前 map 容器中插入其它 map 容器指定区域内的所有键值对，该方法的语法格式如下：

template <class InputIterator>
void insert (InputIterator first, InputIterator last);

其中 first 和 last 都是迭代器，它们的组合<first,last>可以表示某 map 容器中的指定区域。

4) 除了以上一种格式外，insert() 方法还允许一次向 map 容器中插入多个键值对，其语法格式为：

void insert ({val1, val2, ...});

其中，val_i 都表示的是键值对变量。

注意：当实现“向 map 容器中添加新键值对元素”的操作时，insert() 成员方法的执行效率更高；而在实现“更新 map 容器指定键值对的值”的操作时，operator[ ] 的效率更高。

向map容器中增添元素，insert()效率更高

首先解释一下，为什么实现向 map 容器中添加新键值对元素，insert() 方法的执行效率比 operator[ ] 更高？回顾程序一中，如下语句完成了向空 mymap 容器添加新的键值对元素：

mymap["STL教程"] = "http://c.biancheng.net/java/";

此行代码中，mymap["STL教程"] 实际上是 mymap.operator[ ](“STL教程”) 的缩写（底层调用的 operator[ ] 方法），该方法会返回一个指向 “STL教程” 对应的 value 值的引用。
但需要注意的是，由于此时 mymap 容器是空的，并没有 "STL教程" 对应的 value 值。这种情况下，operator[ ] 方法会默认构造一个 string 对象，并将其作为 "STL教程" 对应的 value 值，然后返回一个指向此 string 对象的引用。在此基础上，代码还会将 "http://c.biancheng.net.java/" 赋值给这个 string 对象。
也就是说，上面这行代码的执行流程，可以等效为如下程序：

typedef map<string, string> mstr;
//创建要添加的默认键值对元素
pair<mstr::iterator, bool>res = mymap.insert(mstr::value_type("STL教程", string()));
//将新键值对的值赋值为指定的值
res.first->second = "http://c.biancheng.net/java/";

注意，这里的 value_type(K,T) 指的是 map 容器中存储元素的类型，其实际上就等同于 pair<K,T>

可以看到，使用 operator[ ] 添加新键值对元素的流程是，先构造一个有默认值的键值对，然后再为其 value 赋值。
那么，为什么不直接构造一个要添加的键值对元素呢，比如：

mymap.insert(mstr::value_type("STL教程", "http://c.biancheng.net/java/"));

此行代码和上面程序的执行效果完全相同，但它省略了创建临时 string 对象的过程以及析构该对象的过程，同时还省略了调用 string 类重载的赋值运算符。由于可见，同样是完成向 map 容器添加新键值对，insert() 方法比 operator[ ] 的执行效率更高。

更新map容器中的键值对，operator[]效率更高

仍以程序一中的代码为例，如下分别是 operator[ ] 和 insert() 实现更新 mymap 容器中指定键对应的值的代码：

//operator[]
mymap["STL教程"] = "http://c.biancheng.net/stl/";
//insert()
std::pair<string, string> STL = { "Java教程","http://c.biancheng.net/python/" };
mymap.insert(STL).first->second = "http://c.biancheng.net/java/";

仅仅从语法形式本身来考虑，或许已经促使很多读者选择 operator[ ] 了。接下来，我们再从执行效率的角度对比以上 2 种实现方式。
从上面代码可以看到，insert() 方法在进行更新操作之前，需要有一个 pair 类型（也就是 map::value_type 类型）元素做参数。这意味着，该方法要多构造一个 pair 对象（附带要构造 2 个 string 对象），并且事后还要析构此 pair 对象（附带 2 个 string 对象的析构）。
而和 insert() 方法相比，operator[ ] 就不需要使用 pair 对象，自然不需要构造（并析构）任何 pair 对象或者 string 对象。因此，对于更新已经存储在 map 容器中键值对的值，应优先使用 operator[ ] 方法。

emplace()函数 & emplace_hint()函数

实现相同的插入操作，无论是用 emplace() 还是 emplace_hont()，都比 insert() 方法的效率高。

和 insert() 方法相比，emplace() 和 emplace_hint() 方法的使用要简单很多，因为它们各自只有一种语法格式。其中，emplace() 方法的语法格式如下：

template <class... Args>
pair<iterator,bool> emplace (Args&&... args);

参数 (Args&&... args) 指的是，这里只需要将创建新键值对所需的数据作为参数直接传入即可，此方法可以自行利用这些数据构建出指定的键值对。另外，该方法的返回值也是一个 pair 对象，其中 pair.first 为一个迭代器，pair.second 为一个 bool 类型变量：

当该方法将键值对成功插入到 map 容器中时，其返回的迭代器指向该新插入的键值对，同时 bool 变量的值为 true；
当插入失败时，则表明 map 容器中存在具有相同键的键值对，此时返回的迭代器指向此具有相同键的键值对，同时 bool 变量的值为 false。

emplace_hint() 方法的功能和 emplace() 类似，其语法格式如下：

template <class... Args>
iterator emplace_hint (const_iterator position, Args&&... args);

显然和 emplace() 语法格式相比，有以下 2 点不同：

该方法不仅要传入创建键值对所需要的数据，还需要传入一个迭代器作为第一个参数，指明要插入的位置（新键值对键会插入到该迭代器指向的键值对的前面）；
该方法的返回值是一个迭代器，而不再是 pair 对象。当成功插入新键值对时，返回的迭代器指向新插入的键值对；反之，如果插入失败，则表明 map 容器中存有相同键的键值对，返回的迭代器就指向这个键值对。

注意，和 insert() 方法一样，虽然 emplace_hint() 方法指定了插入键值对的位置，但 map 容器为了保持存储键值对的有序状态，可能会移动其位置。

为什么 emplace() 和 emplace_hint() 的执行效率会比 insert() 高？
原因很简单，它们向 map 容器插入键值对时，底层的实现方式不同：

使用 insert() 向 map 容器中插入键值对的过程是，先创建该键值对，然后再将该键值对复制或者移动到 map 容器中的指定位置；
使用 emplace() 或 emplace_hint() 插入键值对的过程是，直接在 map 容器中的指定位置构造该键值对。

也就是说，向 map 容器中插入键值对时，emplace() 和 emplace_hint() 方法都省略了移动键值对的过程，因此执行效率更高。

因此，在实现向 map 容器中插入键值对时，应优先考虑使用 emplace() 或者 emplace_hint()。

参考C语言中文网-STL-map容器部分

posted @ 2021-09-02 22:37 默行于世阅读(544) 评论(0) 编辑收藏举报

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