【c++ Prime 学习笔记】第11章 关联容器

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• 关联容器的元素按照关键字来保存和访问，而顺序容器的元素是按照在容器中的位置来保存和访问
• 关联容器支持高效的关键字查找和访问
• 2种关联容器：
  • map中的元素是关键字-值对（key-value对），关键字作为索引，值表示与索引相关的数据
  • set中的元素只包含关键字
• 8个关联容器：
  • map 关联数组，保存关键字-值对
  • set 值保存关键字的容器
  • multimap 关键字可重复出现的map
  • multiset 关键字可重复出现的set
  • 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
• 4个头文件：
  • map和multimap定义于map头文件
  • set和multiset定义于set头文件
  • unordered_map和unordered_multimap定义于unordered_map头文件
  • unordered_set和unordered_multiset定义于unordered_set头文件

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11.1 使用关联容器

• map类型常称为关联数组（字典），但其下标不必是整数，且通过关键字而不是位置来查找值
• set是关键字的简单集合，只想知道一个值是否存在或出现的次数时，很有用

使用map

• 关联容器也是模板
• 定义map，必须在模板参数中指定key和value类型
• map的元素都是pair类型，pair也是模板，保存两个public数据成员（first和second）。map使用的pair的first成员是关键字，second是值

map<string,size_t> word_count;          //默认初始化字典
string word;
while(cin>>word)
    ++word_count[word];                 //提取word的计数器并将其加1
for(const auto &w:word_count)           //遍历字典元素
    cout<<w.first<<" occurs "<<w.second //pair类型，first成员是key，second成员是value
        <<((w.second>1)?" times":" time")<<endl;

使用set

• set是模板，使用时必须在模板参数中指定元素类型
• 可以对关联容器（set和map都可）做列表初始化
• set的find方法返回一个迭代器，若给定关键字在set中则返回指向它的迭代器，否则返回end

map<string,size_t> word_count;              //默认初始化字典
set<stirng> exclude={"The","But","And"};    //列表初始化集合
string word;
while(cin>>word)
    if(exclude.find(word)==exclude.end())   //在集合中查找元素，返回迭代器若为end则未找到
        ++word_count[word];

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11.2 关联容器概述

• 所有关联容器都支持表9.2中的通用容器操作，但不支持顺序容器特有的操作，例如push_front或push_back。原因是关联容器中元素是根据关键字存储的
• 关联容器支持顺序容器不支持的操作和类型别名
• 关联容器的迭代器都是双向迭代器

11.2.1 定义关联容器

• 定义map时需在模板参数中给出key和value的类型，定义set时需在模板参数中给出关键字类型
• 定义关联容器的4种方法：
  • 关联容器都有默认构造函数，生成空容器
  • 可将关联容器初始化为另一个同类型容器的拷贝
  • 可用元素范围初始化关联容器，只要这些元素可转换为关联容器所需类型
  • C++11允许对关联容器使用值初始化（列表初始化）
• 对map做列表初始化时，每个元素也是一个花括号列表，其中包含两个值{key, value}

pair<string, string> anon; // 空容器

set<stirng> exclude={"The","But","And"};    //列表初始化

pair<string, string> author = {{"James", "Joyce"},
				 {"Austen", "Jane"}}; // 也可为每个成员提供初始化器

初始化 multimap 和multiset

• map和set的关键字必唯一，但multimap和multiset允许多个元素有相同关键字

11.2.2 关键字类型的要求

• set的关键字就是元素，map的关键字是元素的first的类型
• 对于有序关联容器（map、multimap、set、multiset），关键字类型必须有序，默认使用元素类型的<算符。

有序容器的关键字类型

• 可提供自定义操作代替<算符，要求自定义操作在关键字类型上定义严格弱序：
  • 两关键字不能同时“小于等于”对方
  • “小于等于”具有传递性
  • 若两关键字都不“小于等于”对方，则称为“等价”，“等价”具有传递性
• 若两关键字等价，则关联容器认为它们相等。用作map的key时，只能有一个value与这两个key关联，用任一个key访问都得到这个value

使用关键字类型的比较函数

• multiset<关键字类型>
• 若使用自定义的严格弱序函数，则定义关联容器时，必须在模板参数中给出该函数指针类型，在构造函数参数中给出该函数

//定义严格弱序
bool compareIsbn(const Sales_data &lhs, const Sales_data &rhs){
    return lhs.isbn()<rhs.isbn();
}
using SalesSetType=multiset<Sales_data,decltype(compareIsbn) *>;    //自定义了严格弱序的multiset类型
SalesSetType bookstore(compareIsbn);                                //自定义了严格弱序的multiset对象

11.2.3 pair 类型

• pair类型定义于utility头文件中
• 一个pair保存两个public的数据成员，分别叫first和second
• pair是模板，创建时需在模板参数中指定两个数据成员的类型，两个类型不要求一样
• pair的默认构造函数对数据成员做值初始化

创建 pair 对象的函数

pair<string int> process(vector<string> &v){
    if(!v.empty())
        return {v.back(),v.back().size()};  //列表初始化返回值
    else
        return pair<string,int>();          //隐式构造返回值
}

if(!v.empty())
        return make_pair(v.back(),v.back().size());  //列表初始化返回值

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11.3 关联容器操作

关联容器额外的类型别名

• 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set，与key_type相同；
  
  对于map，为pair<const key_type, mapped_type>

11.3.1 关联容器迭代器

迭代器解引用

• 解引用关联容器迭代器时，得到一个类型为容器的value_type的引用。
• set迭代器解引用得到的都是关键字引用，都是const。虽然同时存在iterator和const_iterator类型，但都不可写
• map迭代器解引用得到的是pair的引用，first为const。其iterator可写second，const_iterator不可写

遍历关联容器

• map和set都有begin和end成员函数，可得到迭代器用于遍历元素

关联容器和算法

• 关联容器很少使用泛型算法
  • 通常不对关联容器使用泛型算法。因为关键字是const，元素不可改变也不可重排。
  • 关联容器只可使用只读算法，但这些算法在关联容器中搜索时效率低下。例如用关联容器的find成员函数比泛型find函数快得多
  • 如果真要对关联容器使用泛型算法，则只能把它当源序列，或当zuo目的位置用inserter插入

11.3.2 添加元素

• 对于无重复关键字的map和set，若插入元素的key在容器中已存在，则插入失败，insert不做任何事
• insert有两个版本
  • 接受一对迭代器，这些迭代器指向的类型可转为该容器的value_type
  • 接受initializer_list，即花括号列表，该列表用于构造一个value_type

vector<int> ivec={2,4,6,8,2,4,6,8};
set<int> set2;
set2.insert(ivec.begin(), ivec.end());//4个元素
set2.insert({1,3,5,7,1,3,5,7}); //8个元素

word_count.insert({word,1});                            //花括号列表转为initializer_list
word_count.insert(make_pair(word,1));                       //make_pair函数生成pair
word_count.insert(pair<string,size_t>(word,1));             //显式构造pair
word_count.insert(map<string,size_t>::value_type(word,1));  //显式构造value_type

检测 insert 的返回值

• insert/emplace的返回值依赖于容器类型和参数
• 向set/map添加单一元素，则insert/emplace返回一个pair，其first为迭代器，second为bool。
  • 若关键字不在容器中，则插入。first指向插入的元素，second为true
  • 若关键字在容器中，则插入失败。first指向给定元素，second为false

map<string,size_t> word_count;
string word;
while(cin>>word){
    //ret的类型是pair<map<string,size_t>::iterator,bool>
    auto ret=word_count.insert({word,1});   //尝试插入关键字和初始计数值1
    if(!ret.second)                         //如果插入失败，说明关键字已存在，只需将值递增
        ++ret.first->second;                //ret.first指向插入的元素，其second是值
}

向multiset/multimap添加元素

• 向multiset/multimap添加单一元素，总是插入成功，insert/emplace返回一个迭代器指向插入的元素

11.3.3 删除元素

表：从关联容器删除元素

• 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.end()
• c.erase(b, e)
  
  删除迭代器b和e所表示的范围中的元素。返回e

11.3.4 map的下标操作

表：map和unorder_map的下标操作

• 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，对其进行值初始化
• c.at[k]
  
  访问关键字为k的元素，带参数检查；若k不在c中，抛出一个out_of_range异常
• 只适用于关键字不可重复的map容器，set不支持下标：
  • map和unordered_map都有下标算符和at函数
  • multimap和unordered_multimap都不支持下标，因为一个关键字可能有多个值
  • 所有的set类型都不支持下标，因为没有值
• map/unordered_map下标接受一个关键字，访问与其关联的值。若关键字不在容器中，则创建元素插入容器，关联值进行值初始化

map<string,size_t> word_count;
word_count["Anna"]=1;
/*上一行的操作步骤：
 *1、容器中搜索关键字"Anna"，未找到
 *2、创建新key-value对，key是const string，value被值初始化为0
 *3、提取新插入的元素，为其赋值为1
 */

11.3.5 访问元素

c.find(k)  // 返回一个迭代器，指向第一个关键字k的元素，如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;不适用于无序容器
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；不适用于无序容器
c.equal_bound(k)  // 返回一个迭代器pair，表示关键字等于k的元素的范围。如k不存在，pair的两个成员均等于c.end()

对 map 使用 find 代替下标操作

• 查找时应用find而不是下标，因为下标的副作用会导致元素未找到时插入，即改变容器

在 multiset/multimap 中查找元素

• 若multiset/multimap中有重复关键字，则它们相邻存放，因此可找到第一个，然后递增迭代器

multimap<string,string> authors;
authors.insert({"Barth, John","Sot-Weed Factor"});
authors.insert({"Barth, John","Lost in the Funhouse"});
string search_item("Alain de Botton");
//法1：用find查找迭代器，count计数
auto entries=authors.count(search_item);
auto iter=authors.find(search_item);
while(entries){
    cout<<iter->second<<endl;
    ++iter;
    --entries;
}

lower_bound和upper_bound

• lower_bound和upper_bound成员函数查找范围：

  • 若给定关键字在容器中，则lower_bound返回第一个匹配元素的迭代器，upper_bound返回最后一个匹配元素之后的迭代器
  • 若给定关键字不在容器中，则lower_bound和upper_bound都返回指向第一个大于该关键字的元素的迭代器，该位置称为安全插入点，即在此处insert该关键字可保持容器中关键字的顺序
  • lower_bound和upper_bound都不支持无序容器

  //用lower_bound和upper_bound查找范围
  for(auto beg=ahthors.lower_bound(search_item),
  				end=ahthors.upper_bound(search_item);
      beg!=end;++beg)
      cout<<beg->second<<endl;
  

equal_range 函数

用equal_range查找范围
for(auto pos=authors.equal_range(search_item);
    pos.first!=pos.second;++pos.first)
    cout<<pos.first->second<<endl;

11.3.6 一个单词转换的map

缩写对照表示例：

brb be right back

k okay?

y why

r are

u you

pic picture

thk thanks!

l8r later

要转换文本示例：

where r u

y dont u send me a pic

k thk l8r

转换后的文本：

where are you

why dont you send me a picture

okay? thanks! later

//读取对照表，存为字典
map<string,string> buildMap(ifstream &map_file){
    map<string,string> trans_map;
    string key,value;
    while(map_file>>key && getline(map_file,value)) //先读第一个单词存入key，再取行中剩下
        if(value.size()>1)                          //若转换规则存在
            trans_map[key]=value.substr(1);         //取子串，忽略getline读到的第一个空格
        else
            throw runtime_error("no rule for "+key);
    return trans_map;
}

//转换单个词语
const string &transform(const string &s, const map<string,string> &m){
    auto map_it=m.find(s);  //在字典中查找
    if(map_it!=m.cend())    //不等于end则查找到
        return map_it->second;
    else
        return s;
}

//读取对照表和输入，打印输出
void word_transform(ifstream &map_file, ifstream &input){
    auto trans_map=buildMap(map_file);          //对照表生成字典
    string text;
    while(getline(input,text)){                 //逐行处理
        istringstream stream(text);             //一行字符串作为一个流处理
        string word;
        bool firstword=true;
        while(stream>>word){                    //逐个单词处理
            if(firstword)   firstword=false;    //如果不是第一个单词，则输出之前打印空格
            else            cout<<" ";
            cout<<transform(word,trans_map);    //转换单词
        }
        cout<<endl;
    }
}

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11.4 无序容器

• C++11定义了4个无序关联容器，它们组织元素的方式不是关键字的序，而是哈希函数和==算符
• 使用无序容器的情形：
  • 关键字类型的元素没有明显的序关系
  • 维护关键字的序代价较高

管理桶

• 无序容器在存储上组织为一组桶，每个桶中保存0个或多个元素。即，层次化的存储
• 无序容器使用一个哈希函数，将关键字映射到桶。访问元素时先计算关键字的哈希值来判断在哪个桶中，再在桶内搜索。
• 哈希值相同的关键字放在同一桶中，因此关键字相同的元素都在同一桶中
• 无序容器的性能依赖于：哈希函数的质量、桶数量、桶大小
• C++允许查询无序容器的状态，并可改变映射和存储的策略，管理桶的函数如表11.8：

无序容器对关键字类型的要求

• 默认情况下，无序容器用关键字类型的==算符比较元素，用hash<key_type>类型的对象来生成元素的哈希值。
• 标准库为内置类型(包括指针)、string、智能指针提供了hash函数，因此可直接定义这些类型为无序容器的关键字
• 无序容器可使用自定义的==算符和哈希函数，只需在模板参数中给出函数指针类型，并在构造函数参数中给出函数指针即可
• 对于有==算符的类型，可以只自定义哈希函数

//定义哈希函数
size_t hasher(const Sales_data &sd){
    return hash<string>()(sd.isbn()); //用一个成员的哈希作为该类的哈希
}
//定义==算符
bool eqOp(const Sales_data &lhs, const Sales_data &rhs){
    return lhs.isbn()==rhs.isbn(); //用一个成员的==算符作为该类的==算符
}
//使用自定义的哈希函数和==算符定义类型并初始化
using SD_multiset=unordered_multiset<Sales_data, decltype(hasher) *, decltype(eqOp) *>;
SD_multiset bookstore(42,hasher,eqOp);

//如果类定义了==运算符，则可以只重载哈希函数
unordered_set<Foo, decltype(FooHash) *> fooSet(10, FooHash);