【C++入门到精通】C++入门 —— map & multimap (STL)

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【C++入门到精通】C++入门 —— map & multimap (STL),C++,c++,java,开发语言

前言

各位小伙伴们,在这个美好的中秋节来临之际,我衷心祝福你和你的家人度过一个幸福、团圆的时刻。愿明月的皎洁照耀你的每一天,团圆的月饼传递着我对你的思念和祝福。祝福你在中秋佳节里收获幸福与快乐,家庭和睦,心想事成。中秋快乐!

前面我们讲了C语言的基础知识,也了解了一些初阶数据结构,并且讲了有关C++的命名空间的一些知识点以及关于C++的缺省参数、函数重载,引用 和 内联函数也认识了什么是类和对象以及怎么去new一个 ‘对象’ ,也了解了C++中的模版,以及学习了几个STL的结构也相信大家都掌握的不错,接下来博主将会带领大家继续学习有关C++比较重要的知识点—— map & multimap (STL) 。下面话不多说坐稳扶好咱们要开车了😍

一、map简介

在C++中,map是一种关联容器,它提供了一种将键值对存储为有序集合的方式。每个键唯一地映射到一个值,因此可以使用键来高效地查找、插入和删除元素。其中map又分为mapmultimap,接下来博主将会带着大家认识一下这两个函数

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二、std::map

1. std::map简介

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std::map是C++ STL提供的一种关联容器,它将键值对作为元素存储,并根据键的大小进行排序。每个键只能出现一次,即一个键最多只能映射到一个值。std::map提供了高效的插入、查找和删除操作,并支持多种方式遍历元素。

下面是std::map的一些重要特点:

  1. 插入元素时会自动根据键的大小进行排序
  2. 可以通过键来查找对应的值,时间复杂度为O(logN),其中N为元素的个数。
  3. std::map中删除元素也很容易,时间复杂度为O(logN)
  4. std::map可以用于各种类型的键和值,包括基本类型和用户定义类型。
  5. std::map的实现是基于红黑树的平衡二叉搜索树,因此插入、查找和删除的时间复杂度都是O(logN)。

2. std::map使用

- 基本使用

使用std::map非常简单,只需要包含头文件<map>,然后定义std::map对象并开始使用:

#include <map>

std::map<int, std::string> myMap;
myMap[0] = "zero";
myMap[1] = "one";
std::cout << myMap[0] << std::endl; // 输出"zero"
std::cout << myMap[1] << std::endl; // 输出"one"

- map模板参数说明

template < class Key, class T, class Compare = less<Key>, class Alloc = allocator<pair<const Key,T> > > class map;
//模版说明
class Key                                   //map::key_type           
class T                                     //map::mapped_type 
class Compare = less<Key>                   //map::key_compare           
class Alloc = allocator<pair<const Key,T> > //map::allocator_type
⭕std::pair<const Key, T>
  1. pair<const Key, T> 是 C++ STL 中的一个模板类,用于表示一组键值对,其中键类型为 const Key,值类型为 T。它是由头文件 <utility> 提供的。

  2. std::pair 是一个简单的容器类,用于保存两个值,并为这两个值提供了相应的访问方式。它有两个成员变量 firstsecond,分别用于存储第一个值和第二个值。

  3. std::pair<const Key, T> 中,键是一个 const 类型,即不可修改。这意味着一旦设置了键的值,就无法再更改它。这样设计是为了确保 std::map 等关联容器的键的稳定性和排序规则。

  4. std::pair<const Key, T> 常常用来表示 std::map 或其他类似容器中的一个元素。每个元素由一个键和一个值组成,键的类型是 const Key,即不可修改,值的类型是 T

可以通过以下方式访问 pair<const Key, T> 对象中的键和值:

  • pair.first:表示键的成员变量,类型为 const Key
  • pair.second:表示值的成员变量,类型为 T

- map的构造函数

  1. 默认构造函数:

    std::map<Key, T> myMap;
    

    创建一个空的 std::map 对象,其中键的类型为 Key,值的类型为 T

  2. 区间构造函数:

    template< class InputIt >
    std::map( InputIt first, InputIt last,
              const Compare& comp = Compare(),
              const Allocator& alloc = Allocator() );
    

    使用范围 [first, last) 内的元素创建一个新的 std::map 对象。firstlast 是输入迭代器,用于指定范围。元素的类型必须可以隐式转换为 std::pair<const Key, T>。可选地,可以提供一个比较函数对象 comp 和一个分配器 alloc

  3. 拷贝构造函数:

    std::map( const std::map& other );
    

    使用另一个 std::map 对象 other 中的所有元素创建一个新的 std::map 对象。创建的对象将拥有与 other 相同的键值对。

  4. 移动构造函数:

    std::map( std::map&& other ) noexcept;
    

    使用另一个 std::map 对象 other 中的所有元素创建一个新的 std::map 对象。创建的对象将拥有 other 的键值对,并且 other 将被清空。

- map的迭代器

  1. 正向迭代器 (iterator) 和常量正向迭代器 (const_iterator):

    • 用途:可用于遍历 std::map 容器,并且可以修改或访问键值对。
    • 示例用法:
      std::map<Key, Value> myMap;
      for (auto iter = myMap.begin(); iter != myMap.end(); ++iter) {
          const Key& key = iter->first;     // 键
          Value& value = iter->second;      // 值
          // 进行操作或访问
      }
      
  2. 反向迭代器 (reverse_iterator) 和常量反向迭代器 (const_reverse_iterator):

    • 用途:可用于以相反的顺序遍历 std::map 容器,并且可以修改或访问键值对。
    • 示例用法:
      std::map<Key, Value> myMap;
      for (auto rIter = myMap.rbegin(); rIter != myMap.rend(); ++rIter) {
          const Key& key = rIter->first;    // 键
          Value& value = rIter->second;     // 值
          // 进行操作或访问
      }
      
  3. 常量迭代器 (const_iterator) 和常量反向迭代器 (const_reverse_iterator):

    • 用途:用于遍历 std::map 容器,但不能修改键值对。仅适用于 const std::map 对象。
    • 示例用法:
      const std::map<Key, Value> myMap;
      for (auto cIter = myMap.begin(); cIter != myMap.end(); ++cIter) {
          const Key& key = cIter->first;     // 键
          const Value& value = cIter->second; // 值
          // 进行访问操作
      }
      

总结成一个表格如下:

函数 功能介绍
begin() 返回一个迭代器,指向容器中的第一个元素
end() 返回一个迭代器,指向容器中最后一个元素的下一个位置
cbegin()cend() 与begin和end意义相同,但cbegin和cend所指向的元素不能修改
rbegin() 返回一个反向迭代器,指向容器中最后一个元素的下一个位置
rend() 返回一个反向迭代器,指向容器中第一个元素
crbegin() 返回一个常量反向迭代器,指向容器中最后一个元素的下一个位置
crend() 返回一个常量反向迭代器,指向容器中第一个元素

- map的容量与元素访问函数

🍁容量函数
  1. empty():返回一个布尔值,表示 std::map 是否为空。如果为空,则返回 true;否则,返回 false

    std::map<Key, Value> myMap;
    if (myMap.empty()) {
        // map为空
    }
    
  2. size():返回 std::map 容器中键值对的数量。

    std::map<Key, Value> myMap;
    std::size_t count = myMap.size();
    
🍁元素访问函数
  1. operator[]:使用指定的键获取或设置相应的值。如果键不存在,会插入一个新的键值对

    std::map<Key, Value> myMap;
    myMap[key] = value;        // 设置键为key的值为value
    Value val = myMap[key];    // 获取键为key的值
    
  2. at():根据指定的键获取相应的值,如果键不存在,会抛出 std::out_of_range 异常

    std::map<Key, Value> myMap;
    Value val = myMap.at(key);  // 获取键为key的值
    
  3. insert():插入一个新的键值对到 std::map 容器中。

    std::map<Key, Value> myMap;
    myMap.insert(std::make_pair(key, value));  // 插入键值对(key, value)
    
  4. erase():根据指定的键删除相应的键值对。

    std::map<Key, Value> myMap;
    myMap.erase(key);   // 删除键为key的键值对
    

🚨🚨注意:对于operator[]来说如果键不存在,会插入一个新的键值对at()函数如果键不存在,会抛出 std::out_of_range 异常

3. map的所有函数(表)

函数用法 功能解释
empty() 返回一个布尔值,表示 std::map 是否为空。如果为空,则返回 true;否则,返回 false
size() 返回 std::map 容器中键值对的数量。
operator[] 使用指定的键获取或设置相应的值。如果键不存在,会插入一个新的键值对。
at() 根据指定的键获取相应的值,如果键不存在,会抛出 std::out_of_range 异常。
insert() 插入一个新的键值对到 std::map 容器中。
erase() 根据指定的键删除相应的键值对。
find() 根据指定的键查找相应的键值对,并返回指向该键值对的迭代器。如果键不存在,则返回指向末尾的迭代器。
count() 返回指定键的数量。由于 std::map 中的键是唯一的,所以返回值要么是 0(键不存在),要么是 1(键存在)。
begin() 返回一个迭代器,指向 std::map 中第一个键值对。
end() 返回一个迭代器,指向 std::map 中最后一个键值对的下一个位置。
rbegin() 返回一个反向迭代器,指向 std::map 中最后一个键值对。
rend() 返回一个反向迭代器,指向 std::map 中第一个键值对的前一个位置。
lower_bound() 返回一个迭代器,指向大于等于给定键的第一个键值对。
upper_bound() 返回一个迭代器,指向大于给定键的第一个键值对。
equal_range() 返回一个 std::pair,其中包含两个迭代器:第一个迭代器指向大于等于给定键的第一个键值对,第二个迭代器指向大于给定键的第一个键值对。
clear() 清空 std::map 容器中的所有键值对。

三、std::multimap

1. std::multimap简介

⭕ 官方文档 > 链接

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std::multimap 是 C++ 标准库中的关联容器之一,它提供了对键值对的有序存储和访问能力,并且允许多个元素具有相同的键。

std::multimap 的特点如下:

  1. 存储重复键:std::multimap 允许多个元素具有相同的键。这意味着你可以在 std::multimap 中存储重复的键值对,每个键对应一个值。
  2. 排序:std::multimap 内部使用红黑树(Red-Black Tree)实现,可以保持元素的有序性。默认情况下,元素按照键的升序排序,但你也可以通过自定义的比较函数或比较运算符来指定排序规则。
  3. 插入和访问:向 std::multimap 中插入新元素时,按照键的顺序插入即可,不需要进行键的比较和查找操作。访问元素时,可以使用迭代器进行遍历和访问,也可以使用键进行范围查找。
  4. 动态大小:std::multimap 是动态大小的容器,它会根据元素的插入和删除自动调整自身的大小。

使用 std::multimap 可以方便地处理具有相同键的元素,例如在一个电话簿中存储多个人的联系电话,或者在一个日程安排中存储多个事件的时间。它提供了高效的键值对的插入、访问和搜索操作,并且可以根据指定的排序规则自动对元素进行排序。

🔴在使用上面与std::map的使用方法以及函数类型都一样,这里我就不再过多的赘述了。(详细的说明可以看官方文档的介绍)

四、std::map与std::multimap的比较

  • 相同点:

    1. 存储键值对:std::mapstd::multimap 都用于存储键值对,并提供了对键值对的有序存储和访问能力。
    2. 基于红黑树:std::mapstd::multimap 在内部实现上都使用了红黑树(Red-Black Tree),以保持元素的有序性。
    3. 迭代器支持:它们都提供了迭代器的支持,可以使用迭代器进行遍历、访问和修改容器中的元素。
  • 不同点:

    1. 唯一性:最主要的区别在于键的唯一性。std::map 中的键是唯一的,每个键只能对应一个值,如果插入具有相同键的元素,则会替换原有键对应的值。而 std::multimap 允许多个元素具有相同的键,因此可以在 std::multimap 中存储重复的键值对。
    2. 插入和查找:由于 std::map 中的键是唯一的,插入新元素时要进行键的比较和查找,以保持键的唯一性。这会导致插入和查找的时间复杂度是对数级别的。而 std::multimap 允许重复的键,因此插入新元素时只需按照键的顺序插入即可,插入的时间复杂度为常数级别。
    3. 迭代器范围:对于 std::map,每个键只有一个对应的值,因此迭代器范围是唯一的。而对于 std::multimap,由于允许重复的键,因此迭代器范围可以包含多个具有相同键的元素。

🚨综上所述,选择使用 std::map 还是 std::multimap 取决于你的需求和对键的唯一性的要求。如果需要存储唯一的键值对,可以选择 std::map,如果允许并且需要存储重复的键值对,可以选择 std::multimap

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