C++之unordered_set和unordered_map的介绍与应用

前言：
前面篇章学习了C++对于AVL树的知识认识和了解，接下来继续学习，C++的unordered_set和unordered_map等知识。
/知识点汇总/

1、unordered_set和unordered_map的简单介绍

1.1、unordered_set和unordered_map的基本概念

unordered_set 和 unordered_map 是 C++ 标准库中的两个关联容器，它们提供了基于哈希表的快速查找和插入操作。

unordered_set 是一个无序集合，它包含唯一的元素。换句话说，unordered_set 中的每个元素都是唯一的，并且没有重复。与 set 不同，unordered_set 不保证元素的排序，但通常提供了更快的插入和查找操作，因为它基于哈希表实现。
unordered_map 是一个无序关联数组（或哈希表），它存储键值对，并且每个键都是唯一的。与 map 不同，unordered_map 不保证元素的排序，但通常提供了更快的插入、删除和查找操作。

1.2、unordered_set和unordered_map的基本特性

unordered_set的基本特性：

1、unordered_set是不按特定顺序存储键值的关联式容器，其允许通过键值快速的索引到对应的元素。
2、在unordered_set中，元素的值同时也是唯一地标识它的key。
3、在内部，unordered_set中的元素没有按照任何特定的顺序排序，为了能在常数范围内找到指定的key，unordered_set将相同哈希值的键值放在相同的桶中。
4、unordered_set容器通过key访问单个元素要比set快，但它通常在遍历元素子集的范围迭代方面效率较低。
5、它的迭代器至少是前向迭代器。

unordered_map的基本特性：

1、unordered_map是存储<key, value>键值对的关联式容器，其允许通过keys快速的索引到与其对应的value。
2、在unordered_map中，键值通常用于惟一地标识元素，而映射值是一个对象，其内容与此键关联。键和映射值的类型可能不同。
3、在内部,unordered_map没有对<kye, value>按照任何特定的顺序排序, 为了能在常数范围内找到key所对应的value，unordered_map将相同哈希值的键值对放在相同的桶中。
4、unordered_map容器通过key访问单个元素要比map快，但它通常在遍历元素子集的范围迭代方面效率较低。
5、unordered_maps实现了直接访问操作符(operator[])，它允许使用key作为参数直接访问value。
它的迭代器至少是前向迭代器。

2、unordered_set的基本操作

2.1、unordered_set的定义

void test_unordered_set1()
{
	// 构造一个空壳的us1的unordered_set的容器
	unordered_set<int> us1;

	// 插入几个值
	us1.insert(1);
	us1.insert(2);
	us1.insert(3);
	us1.insert(4);

	// 拷贝构造
	unordered_set<int> us2(us1);

	// 迭代器区间构造
	unordered_set<int> us3(us2.begin(), us2.end());

	// for循环打印一下
	for (auto& e : us3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

2.2、unordered_set的基本接口使用

void test_unordered_set2()
{
	// 先构造一个空的容器
	unordered_set<int> us1;

	// 插入元素（只有这一种插入法）
	us1.insert(1);
	us1.insert(2);
	us1.insert(3);
	us1.insert(1);
	us1.insert(4);
	us1.insert(5);

	// 遍历容器第一种方法：迭代器遍历
	unordered_set<int>::iterator it = us1.begin();
	while (it != us1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl; // 1 2 3 4 5

	// 遍历容器第二种方法：for循环
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 1 2 3 4 5

	// 删除元素的方式一：直接找到值进行删除
	us1.erase(1);

	// 删除元素的方法二：利用迭代器进行删除
	unordered_set<int>::iterator pos = us1.find(2);
	if (pos != us1.end())
	{
		us1.erase(pos);
	}

	// 打印一下
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 3 4 5

	// 判断容器是否为空
	cout << us1.empty() << endl; // 0

	// 获取值为3的个数
	cout << us1.count(3) << endl; // 1

	// 查看当前容器的容量
	cout << us1.size() << endl; // 3

	// 交换数据
	unordered_set<int> tmp{99, 88, 77, 66};
	us1.swap(tmp);

	// 打印一下
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 99 88 77 66 

	// 打印一下
	for (auto& e : tmp)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl; // 3 4 5

	// 清空
	us1.clear();

	// 打印一下
	for (auto& e : us1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;  //   
}

2.3、unordered_multiset的基本介绍

大致实现的功能与unordered_map相同，但唯一不同的一点是在于这个多功能的set是允许值进行重复的！

这个多功能的set是相较于普通set来讲的count函数是返回的个数，而普通set的count函数是如果存在则返回1，不存在则返回0。
这个多功能set相较于普通set来讲的find函数是返回底层哈希表中第一个找到的键值为val的元素的迭代器，而普通set则是返回简单的key。

void test_unordered_set3()
{
	unordered_multiset<int> ums1;
	ums1.insert(1);
	ums1.insert(2);
	ums1.insert(4);
	ums1.insert(3);
	ums1.insert(1);
	ums1.insert(5);
	ums1.insert(2);
	ums1.insert(7);

	for (auto& e : ums1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;  // 1 1 2 2 3 4 5 7
}

3、unordered_map的基本操作

3.1、unordered_map的定义

void test_unordered_map1()
{
	// 构造一个空的key为int，value为double的unordered_map
	unordered_map<int, double> um1;

	// 给um1赋上值
	um1.insert(make_pair(1, 1.1));
	um1.insert(make_pair(2, 2.2));
	um1.insert(make_pair(3, 3.3));
	um1.insert(make_pair(4, 4.4));

	// 拷贝构造
	unordered_map<int, double> um2(um1);

	// 迭代器区间拷贝um2的一段
	unordered_map<int, double> um3(um2.begin(), um2.end());

	// for循环打印一下um3，um3没问题则um1和um2都没问题
	for (auto& e : um3)
	{
		cout << e.first<< "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
}

3.2、unordered_map的基本接口使用

void test_unordered_map2()
{
	// 构造一个空的key为int，value为string的unordered_map
	unordered_map<int, string> um1;
	
	// 插入方法一：构造匿名对象插入
	um1.insert(pair<int, string>(1, "111"));
	um1.insert(pair<int, string>(2, "222"));
	um1.insert(pair<int, string>(3, "333"));

	// 插入方法二：调用make_pair插入
	um1.insert(make_pair(4, "444"));
	um1.insert(make_pair(5, "555"));
	um1.insert(make_pair(6, "666"));

	// 插入方法三：用operator[]
	um1[7] = "777";
	um1[8] = "888";
	um1[9] = "999";
	um1[10] = "000";

	// 遍历方式一：利用迭代器进行遍历打印
	//unordered_map<int, string>::iterator it = um1.begin();
	auto it = um1.begin();
	while (it != um1.end())
	{
		cout << (*it).first << "=>" << (*it).second << " ";
		++it;
	}
	cout << endl; // 1=>111 2=>222 3=>333 4=>444 5=>555 6=>666 7=>777 8=>888 9=>999 10=>000

	// 遍历方法二：利用for循环进行遍历打印
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first<< "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // 1=>111 2=>222 3=>333 4=>444 5=>555 6=>666 7=>777 8=>888 9=>999 10=>000

	// 删除操作1:根据键值对key删除
	um1.erase(5);
	// 删除操作2：根据迭代器进行删除
	unordered_map<int, string>::iterator rit = um1.find(7); // 顺带使用键值对key就可以用find函数了
	if (rit != um1.end())
	{
		um1.erase(rit);
	}
	// 遍历打印一下，用for循环方便快捷一点
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // 1=>111 2=>222 3=>333 4=>444 6=>666 8=>888 9=>999 10=>000

	// 修改键值对：通过find获得迭代器进行修改
	auto pos = um1.find(1);
	if (pos != um1.end())
	{
		pos->second = "11/11";
	}

	// 修改键值对：通过operator[]运算符重载进行修改
	um1[2] = "22/22";

	// 打印一下
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // 1=>11/11 2=>22/22 3=>333 4=>444 6=>666 8=>888 9=>999 10=>000

	// 判空
	cout << um1.empty() << endl; // 0 -- 不空

	// 计算容器的大小
	cout << um1.size() << endl; // 8个

	// 计算容器中键值对的大小
	cout << um1.count(3) << endl; // 1

	// 交换两容器中的数据
	unordered_map<int, string> tmp{{11, "123"}, { 22, "345" }};
	um1.swap(tmp);
	for (auto& e : tmp)
	{
		cout << "tmp=>" << " ";
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // tmp=> 1=>11/11 2=>22/22 3=>333 4=>444 6=>666 8=>888 9=>999 10=>000

	for (auto& e : um1)
	{
		cout << "um1=>" << " ";
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl; // um1=> 11=>123 22=>345

	// 清空
	um1.clear();
	for (auto& e : um1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
}

重点讲一下[]：
1、若当前容器中已经存在着键值为key的键值对，则返回该键值对value的引用。
2、若当前容器中没有键值为key的键值对，则先插入键值对<key, value()>，然后再返回该键值对中value的引用。

3.3、unordered_multimap的基本介绍

这个容器与unordered_map基本一致，这两个的区别在于multimap允许键值对的冗余，也就是可以允许key和value有不同的值。
存在以下几个区别：find、count、operator[]接口功能
(1)find：

unordered_map 返回键值为key的键值对的迭代器
unordered_multimap 返回底层哈希表中第一个找到的键值为key的键值对的迭代器

(2)count：

unordered_map 键值为key的键值对存在则返回1，不存在则返回0（find成员函数可替代）
unordered_multimap 返回键值为key的键值对的个数（find成员函数不可替代）

(3)operator[]：

我们在unordered_multimap中是没有这个operator[]重载的，因为这个容器中是可以冗余的，所以我们不确定找的是哪一个，会导致很多的错误，所以我们的unordered_multimap是没有operator[]这个的！

void test_unordered_map3()
{
	unordered_multimap<int, string> ummp1;
	ummp1.insert(make_pair(2023, "yes"));
	ummp1.insert(make_pair(2023, "no"));
	ummp1.insert(make_pair(2023, "before"));
	ummp1.insert(make_pair(2023, "now"));
	for (auto& e : ummp1)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << " ";
	}
	cout << endl;
}

4、map/set 和 unordered_map/unordered_set的区别

4.1、性能测试

#include <iostream>
#include <set>
#include <unordered_set>
#include <time.h>
using namespace std;

int main()
{
	int N = 1000;
	vector<int> v;
	v.reserve(N);
	srand((unsigned int)time(NULL));
	//随机生成N个数字
	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		v.push_back(rand());
	}

	//将这N个数插入set容器
	set<int> s;
	clock_t begin1 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		s.insert(e);
	}
	clock_t end1 = clock();

	//将这N个数插入unordered_set容器
	unordered_set<int> us;
	clock_t begin2 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		us.insert(e);
	}
	clock_t end2 = clock();

	//分别输出插入set容器和unordered_set容器所用的时间
	cout << "set insert: " << end1 - begin1 << endl;
	cout << "unordered_set insert: " << end2 - begin2 << endl;

	//在set容器中查找这N个数
	clock_t begin3 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		s.find(e);
	}
	clock_t end3 = clock();

	//在unordered_set容器中查找这N个数
	clock_t begin4 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		us.find(e);
	}
	clock_t end4 = clock();

	//分别输出在set容器和unordered_set容器中查找这N个数所用的时间
	cout << "set find: " << end3 - begin3 << endl;
	cout << "unordered_set find: " << end4 - begin4 << endl;

	//将这N个数从set容器中删除
	clock_t begin5 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		s.erase(e);
	}
	clock_t end5 = clock();

	//将这N个数从unordered_set容器中删除
	clock_t begin6 = clock();
	for (auto e : v)
	{
		us.erase(e);
	}
	clock_t end6 = clock();

	//分别输出将这N个数从set容器和unordered_set容器中删除所用的时间
	cout << "set erase: " << end5 - begin5 << endl;
	cout << "unordered_set erase: " << end6 - begin6 << endl;
	return 0;
}

4.2、总结

(1)、map 和 set：

1. 优点

有序性：由于红黑树的特性，map和set中的元素都是有序的，这在很多应用中都会简化操作。
检索效率：红黑树的检索效率较高，通常可以达到O(log N)的时间复杂度。

2. 缺点

空间占用：由于红黑树需要维护树的平衡和节点的额外信息（如父节点、子节点、颜色等），因此相对于其他数据结构（如哈希表），map和set的空间占用率较高。

(2)、unordered_map 和 unordered_set

1. 优点

查找速度：由于哈希表的特性，unordered_map和unordered_set的查找速度非常快，平均时间复杂度可以达到O(1)。
动态增长：unordered_map和unordered_set可以动态增长，并且可以通过size属性获取元素个数。

2. 缺点

遍历顺序：由于哈希表的特性，unordered_map和unordered_set中的元素是无序的。因此，遍历它们的顺序可能与插入顺序不同。
哈希表建立：虽然哈希表的查找速度很快，但是哈希表的建立过程（即哈希函数的计算和哈希表的初始化）可能会比较耗时。

(3)、性能总结

1.查找速度：对于查找操作，unordered_map/unordered_set 通常比 map/set 快，因为哈希表的查找时间复杂度通常为O(1)，而红黑树的查找时间复杂度为O(log N)。
2.有序性：如果需要保持元素的顺序，map/set 是更好的选择，因为它们是基于红黑树实现的，可以提供有序的键值对或元素存储。
3.空间占用：由于红黑树需要维护额外的信息，因此 map/set 的空间占用率通常高于 unordered_map/unordered_set。
4.遍历顺序：如果遍历顺序很重要，且需要按照插入顺序遍历，那么应该选择 Set 或 Map，因为 unordered_map/unordered_set 的遍历顺序可能与插入顺序不同。