【C++入门到精通】哈希 (STL) _ unordered_map _ unordered

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【C++入门到精通】哈希 (STL) _ unordered_map _ unordered_set [ C++入门 ],C++,哈希算法,c++,java,开发语言

前言

欢迎各位大佬们的关顾，本文将介绍unordered系列容器以及其中的两个重要成员：unordered_map和unordered_set。unordered_map是一种无序的关联容器，它使用哈希表来存储键值对，并提供高效的插入、查找和删除操作。在本文中，我们将首先介绍unordered_map的基本概念和特点，然后详细讲解其接口和用法。接下来，我们将介绍unordered_set，它是一种无序的集合容器，同样基于哈希表实现。我们将对unordered_set进行简要介绍，并深入探讨其接口和用法。通过学习本文，您将对unordered系列容器有更加清晰的理解，并能够灵活运用它们解决实际问题。下面话不多说，坐稳扶好咱们要开车了😍

一、unordered系列容器

在C++98中，STL提供了一系列底层为红黑树结构的关联式容器，包括set、multiset、map和multimap。这些容器在查询操作时的时间复杂度为 $O (l o g N)$ ，其中N是容器中元素的数量。

为了提高查询效率，C++11引入了unordered_map和unordered_set这两个底层基于哈希表的关联式容器。与红黑树结构的关联式容器相比，unordered系列容器在平均情况下具有更高的查询效率，时间复杂度为常数级别 $O (1)$ 。当哈希函数设计得好且没有太多的冲突时，它们可以在插入、查找和删除等操作上表现出很好的性能。

unordered_map是一种键值对存储的容器，每个键唯一对应一个值；而unordered_set是一种存储唯一元素的容器。它们的使用方式与红黑树结构的关联式容器类似，提供了insert、erase、find等方法来操作元素。

🚨🚨注意：unordered_map和unordered_set的元素顺序是根据哈希函数计算的哈希值来确定的，因此它们无法保证元素的顺序稳定。如果需要有序的容器，仍然可以使用红黑树结构的关联式容器。

二、unordered_map

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1. unordered_map简介

unordered_map是C++标准库中的一个关联式容器，它是基于哈希表实现的。unordered_map提供了一种存储键值对的方式，每个键唯一对应一个值。它被设计为在平均情况下具有常数时间复杂度的插入、查找和删除操作。

unordered_map与map的用法类似，但其内部结构不同。unordered_map使用哈希函数将键映射到桶（bucket）中，并在桶内使用链表或其他数据结构解决冲突。通过哈希函数和桶的结构，可以快速定位键对应的值。

⭕函数特点

常数时间复杂度：平均情况下，unordered_map的插入、查找和删除操作都具有常数时间复杂度。这是因为哈希表充分利用了哈希函数的散列性质，快速定位元素。
无序存储：与map不同，unordered_map不会按照键的顺序进行存储，而是根据哈希函数计算得到的哈希值进行存储。因此，遍历unordered_map的结果是无序的。
自定义哈希函数：unordered_map支持自定义哈希函数，可以根据键的类型，实现一个符合需求的哈希函数来提高查询效率。如果不提供自定义哈希函数，会使用默认的哈希函数。
冲突处理：由于哈希函数的限制，可能会出现多个元素映射到同一个桶的情况，这就是冲突。unordered_map使用链表或其他数据结构来解决冲突，保证键值对的正确存储和查找。
支持各种数据类型：unordered_map可以存储各种数据类型的键值对，包括内置类型和自定义类型。

🚨🚨注意：使用unordered_map时，需要包含头文件<unordered_map>，并使用std命名空间，或者使用using语句简化操作。

2. unordered_map接口

- 构造函数

默认构造函数：
```
unordered_map<Key, T> myMap;
```
使用默认构造函数创建一个空的unordered_map对象。
列表初始化构造函数：
```
unordered_map<Key, T> myMap = {{key1, value1}, {key2, value2}, ...};
```
使用初始化列表创建unordered_map对象并初始化其中的键值对。
区间构造函数：
```
template<class InputIt>
unordered_map(InputIt first, InputIt last);
```
从指定范围内的元素创建unordered_map对象。范围由迭代器first和last指定，可以是数组、容器或其他实现了前向迭代器的数据结构。
拷贝构造函数：
```
unordered_map(const unordered_map& other);
```
使用另一个unordered_map对象进行拷贝构造，创建一个与原unordered_map相同的副本。
移动构造函数：
```
unordered_map(unordered_map&& other) noexcept;
```
使用另一个unordered_map对象进行移动构造，创建一个新的unordered_map对象，并从原对象中窃取资源。

构造函数	功能介绍
unordered_map()	默认构造函数，创建一个空的unordered_map对象。
unordered_map(initializer_list<pair<const Key, T>>)	列表初始化构造函数，使用初始化列表创建unordered_map对象并初始化其中的键值对。
unordered_map(const unordered_map&)	拷贝构造函数，创建一个与原unordered_map相同的副本。
unordered_map(unordered_map&&) noexcept	移动构造函数，创建一个新的unordered_map对象，并从原对象中窃取资源。
unordered_map(size_type)	构造函数，创建具有指定桶数的unordered_map对象。
unordered_map(size_type, const hasher&, const key_equal&)	构造函数，创建具有指定桶数、哈希函数和相等比较操作符的unordered_map对象。
template unordered_map(InputIt, InputIt)	区间构造函数，从指定范围内的元素创建unordered_map对象。

- unordered_map的容量

unordered_map的容量相关的成员函数主要包括：

函数声明	功能介绍
unordered_map::size	返回unordered_map中键值对的个数。
unordered_map::empty	判断unordered_map是否为空，返回true或false。
unordered_map::max_size	返回unordered_map所能容纳的最大元素数量。

- unordered_map的迭代器

unordered_map提供了以下迭代器：

迭代器类型	功能介绍
unordered_map::iterator	用于遍历和修改unordered_map中的键值对，可以通过解引用操作符`*`和箭头操作符`->`访问元素。
unordered_map::const_iterator	用于遍历unordered_map中的键值对，但不允许修改元素值。

你可以使用以下成员函数来获取迭代器：

函数声明	功能介绍
unordered_map::begin	返回指向unordered_map起始位置的迭代器。
unordered_map::end	返回指向unordered_map末尾位置的迭代器。
unordered_map::find	返回指向键对应的元素的迭代器，如果键不存在，则返回尾部迭代器。

使用迭代器可以遍历unordered_map中的所有元素，示例代码如下所示：

#include <iostream>
#include <unordered_map>

int main() {
    std::unordered_map<int, std::string> map = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};
    
    // 使用迭代器遍历unordered_map并打印键值对
    for (auto it = map.begin(); it != map.end(); ++it) {
        std::cout << "Key: " << it->first << ", Value: " << it->second << std::endl;
    }
    
    // 使用find函数查找指定键的元素
    auto findIt = map.find(2);
    if (findIt != map.end()) {
        std::cout << "Key: " << findIt->first << ", Value: " << findIt->second << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

输出结果：

Key: 1, Value: one
Key: 2, Value: two
Key: 3, Value: three
Key: 2, Value: two

通过迭代器，我们可以依次访问unordered_map中的键值对，并通过迭代器的解引用操作符 -> 来访问元素的键和值。使用find函数可以查找指定键的元素，并返回一个指向该元素的迭代器。

- unordered_map的元素访问

下标运算符 []：使用键作为索引来访问和修改unordered_map中的元素。如果键存在，则返回对应的值；如果键不存在，则将该键插入到unordered_map中，并返回一个默认构造的值。

std::unordered_map<std::string, int> map = {{"apple", 1}, {"banana", 2}, {"orange", 3}};

int value = map["apple"];  // 访问键"apple"对应的值
map["banana"] = 5;         // 修改键"banana"对应的值
map["grape"] = 4;          // 插入新键"grape"并对应一个值

使用成员函数 at()：使用键作为参数来访问和修改unordered_map中的元素。如果键存在，则返回对应的值；如果键不存在，则抛出std::out_of_range异常。

std::unordered_map<std::string, int> map = {{"apple", 1}, {"banana", 2}, {"orange", 3}};

int value = map.at("apple");  // 访问键"apple"对应的值
map.at("banana") = 5;         // 修改键"banana"对应的值
map.at("grape") = 4;          // 抛出异常，因为键"grape"不存在

- unordered_map的修改操作

函数声明	功能介绍
insert	向容器中插入键值对
erase	删除容器中的键值对
void clear()	清空容器中有效元素个数
void swap(unordered_map&)	交换两个容器中的元素

- unordered_map的桶操作

函数声明	功能介绍
size_t bucket_count()const	返回哈希桶中桶的总个数
size_t bucket_size(size_t n)const	返回n号桶中有效元素的总个数
size_t bucket(const K& key)	返回元素`key`所在的桶号

三、unordered_set

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1. unordered_srt简介

std::unordered_set 是 C++ STL 提供的一个哈希表实现的无序集合容器。与 std::set 不同，std::unordered_set 中元素的顺序是不确定的，它使用哈希函数来快速访问、插入和删除元素。哈希函数将元素的键转换为一个哈希值，然后用该哈希值来映射到对应的桶中，每个桶中存储一组键值相同的元素。当需要访问、插入或删除某个元素时，首先根据哈希函数计算出该元素对应的桶的位置，然后在该桶中查找该元素。

⭕函数特点

元素的顺序是不确定的，不能保证元素的插入顺序就是元素的访问顺序。
访问、插入和删除元素的平均时间复杂度是 $O (1)$ 。
查找元素的时间复杂度取决于哈希函数的质量，最坏情况下会退化为线性时间复杂度 $O (n)$ 。
支持使用自定义类型作为元素，需要提供哈希函数和相等比较函数。
内部结构是一个哈希表，具有一定的空间浪费和碰撞问题。

2. unordered_set接口

std::unordered_set 是 C++ STL 提供的一个哈希表实现的无序集合容器。它提供了一系列成员函数用于插入、删除、查找和遍历元素。下面是 std::unordered_set 常用的成员函数：

insert(): 向 unordered_set 中插入元素。有多种重载形式，可以接受单个元素、区间或者初始化列表作为参数。插入操作的平均时间复杂度是 O(1)。

std::unordered_set<int> set;

set.insert(10);                  // 插入单个元素
set.insert({20, 30, 40});        // 插入初始化列表
set.insert(begin(vec), end(vec)); // 插入区间

erase(): 从 unordered_set 中删除元素。有多种重载形式，可以接受单个元素、区间或者迭代器作为参数。删除操作的平均时间复杂度是 O(1)。

std::unordered_set<int> set = {10, 20, 30, 40};

set.erase(20);                // 删除单个元素
set.erase(begin(set), end(set)); // 删除整个区间
set.erase(set.find(30));      // 删除指定迭代器位置的元素

find(): 查找元素，返回一个迭代器指向该元素的位置，如果元素不存在，则返回 end()。查找操作的平均时间复杂度是 O(1)。

std::unordered_set<int> set = {10, 20, 30, 40};

auto it = set.find(20);     // 查找元素
if (it != set.end()) {
    std::cout << "Found: " << *it << std::endl;
} else {
    std::cout << "Not found" << std::endl;
}

count(): 获取某个元素在 unordered_set 中出现的次数，返回值为0或1。可以用于判断元素是否存在。

std::unordered_set<int> set = {10, 20, 30, 40};

if (set.count(20) > 0) {
    std::cout << "Element 20 exists in the set" << std::endl;
} else {
    std::cout << "Element 20 does not exist in the set" << std::endl;
}

size(): 获取 unordered_set 中当前存储的元素数量。

std::unordered_set<int> set = {10, 20, 30, 40};

std::cout << "Size of set: " << set.size() << std::endl;

empty(): 检查 unordered_set 是否为空，如果为空返回 true，否则返回 false。

std::unordered_set<int> set;

if (set.empty()) {
    std::cout << "Set is empty" << std::endl;
} else {
    std::cout << "Set is not empty" << std::endl;
}

clear(): 清空 unordered_set 中的所有元素。

std::unordered_set<int> set = {10, 20, 30, 40};

set.clear();

🚨🚨注意：std::unordered_set 并不提供按索引方式访问元素的功能，因为 unordered_set 是无序的。若要遍历 unordered_set 中的元素，可以使用迭代器：

std::unordered_set<int> set = {10, 20, 30, 40};

for (auto it = set.begin(); it != set.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}
std::cout << std::endl;

以上是 std::unordered_set 常用的几个成员函数。通过这些函数，可以方便地进行元素的插入、删除、查找和遍历操作。更多的操作可见官方文档的描述。

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