【STL】pair 与 map：基础、操作与应用

news2024/11/13 14:46:36

C++ 标准库中提供了许多用于处理数据结构的容器和工具。pair 和 map 是两个非常有用的工具，广泛应用于存储和处理关联数据。在本文中，我们将详细介绍 pair 与 map 的相关操作，并结合代码实例为读者提供清晰的理解。

pair：成对数据的存储

1. pair 基本介绍

pair 是 C++ 标准库中的一种数据结构，它允许我们将两个不同类型的数据组合成一对。它的典型用法是用来返回两个相关联的值，例如姓名和电话号码。每个 pair 包含两个值，这两个值分别可以通过 .first 和 .second 访问。

2. pair 的创建与使用

2.1创建 pair 的几种方式：

直接使用构造函数创建：

pair<string, int> p("Tom", 10086);

使用 make_pair 函数创建：

pair<string, int> p2 = make_pair("make", 191919190);

列表初始化（C++11 新特性）：

pair<string, int> p3 = { "hhhh", 19298318 };

2.2pair 的常用操作：

访问 pair 中的第一个和第二个值：

cout << "姓名：" << p.first << endl;
cout << "电话：" << p.second << endl;

判断两个 pair 对象是否相等：

if (p != p2) 
{
    cout << "不相等" << endl;
}

整体操作如下：

//pair（二元组）：成对出现的数据，利用对组可以返回两个数据
#include<iostream>
#include<string>
#include <utility>  // 包含 pair 对组相关的头文件
using namespace std;

//pair<第一个值类型, 第二个值类型> pr

// 第一个值类型：要储存的第一个值的数据类型
// 第二个值类型：要储存的第二个值的数据类型

// 取第一个值：.first
// 取第二个值：.second

// 判断相等：==, !=

// 测试 pair 的各种构造与操作
void test0()
{
    // 使用构造函数直接创建 pair 对象，存储姓名和电话
    pair<string, int> p("Tom", 10086);

    // 输出 pair 的第一个元素（姓名）和第二个元素（电话）
    cout << "姓名：" << p.first << endl;
    cout << "电话：" << p.second << endl;

    // 使用 make_pair 创建 pair 对象，这是一种常见的方式
    pair<string, int> p2 = make_pair("make", 191919190);
    cout << "姓名：" << p2.first << endl;
    cout << "电话：" << p2.second << endl;

    // C++11 新特性，使用列表初始化 pair 对象
    pair<string, int> p3 = { "hhhh",19298318 };
    cout << "姓名：" << p3.first << endl;
    cout << "电话：" << p3.second << endl;

    // 判断两个 pair 对象是否相等，!= 表示不相等
    if (p != p2)
    {
        cout << "不相等" << endl;  // 如果 p 和 p2 不相等，输出提示
    }
}

int main()
{
    test0();  // 调用测试函数
    return 0;
}

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map：关联式容器

1. map 基本介绍

map 是 C++ 中的一种关联容器，通常用于存储键值对。每个元素都是 pair，其中第一个元素为 键（key），第二个元素为 值（value）。 map 容器的特点是：所有元素会根据 键 的大小自动排序，并且 键值唯一。如果需要允许重复键，可以使用 multimap。

2.map基本操作一览

map<键类型, 值类型, 比较器> mp

  • 键类型：用于存储键的数据类型
  • 值类型：用于存储与键相关联的值的数据类型
  • 比较器：用于键值比较的规则，默认是 less<类型>，即从小到大排序，可以自定义为 greater<类型> 来改变排序顺序

2.1. map构造和赋值：对map容器进行构造和赋值操作

2.1.1 构造：

map<T1, T2> mp;
// map默认构造函数

map(const map& mp);
// 拷贝构造函数

2.1.2 赋值：

map& operator=(const map& mp);
// 重载等号操作符

2.2. map大小和交换：统计map容器的大小并交换两个map容器

size();
// 返回容器中的元素数量

empty();
// 判断容器是否为空

swap(st);
// 交换两个map容器

2.3. map插入和删除：对map容器插入和删除元素

insert(elem);
// 插入一个元素

clear();
// 清空所有元素

erase(pos);
// 删除pos迭代器所指的元素，返回下一个元素的迭代器

erase(beg, end);
// 删除区间[beg,end)的所有元素 ，返回下一个元素的迭代器。

erase(key);
// 删除键值为 key 的元素

2.4. map查找和统计：查找和统计数据

find(key);
// 查找key是否存在，存在则返回该键的元素的迭代器，不存在则返回map.end()

count(key);
// 统计键值为key的元素个数：
//map 中的键唯一，因此结果要么为 0（不存在），要么为 1（存在）。

2.5. map排序：map容器默认使用键值的升序排序

降序排序使用map<类型，类型，greater<类型>>m;

3. map 构造和赋值

3.1构造：

map 容器提供了几种方式来构造对象，包括默认构造、拷贝构造等。

  • 默认构造： 使用默认构造函数创建一个空的 map 容器。
map<int, int> mp;  // 创建一个空的 map 容器
  • 拷贝构造： 通过拷贝另一个 map 容器来构造新的 map 对象。
map<int, int> mp2(mp);  // 用 mp 初始化 mp2

3.2赋值：

通过重载等号操作符 =，可以将一个 map 容器的内容赋值给另一个 map。

map<int, int> mp3 = mp2;  // 将 mp2 的内容赋值给 mp3

示例：

// 1. map构造和赋值
void test0()
{
	// 默认构造 map 容器
	map<int, int> m;

	// 插入键值对
	m.insert(pair<int, int>(1, 3));
	m.insert(pair<int, int>(4, 0));
	m.insert(pair<int, int>(1, 3));  // 重复键值不会插入
	m.insert(pair<int, int>(4, 9));  // 键值相同，实值不同，仍然只保留键值唯一的元素
	m.insert(pair<int, int>(5, 100));

	print(m);

	// 拷贝构造
	map<int, int> m2(m);  // 用 m 初始化 m2
	print(m2);

	// 赋值操作
	map<int, int> m3 = m2;  // 将 m2 的内容赋给 m3
	print(m3);
}

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4.map的遍历

// 默认排序遍历：
void print(map<int, int>& m)
{
	// 使用迭代器遍历 map，按升序输出键值对
	for (map<int, int>::iterator it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	{
		cout << "键值：" << (*it).first << " " << "实值：" << it->second << " ";
		cout << endl;
	}
	cout << endl;

	// auto 简化迭代器类型（C++11）
	// for (auto it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	// {
	// 	cout << "键值：" << (*it).first << " " << "实值：" << it->second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }

	// 基于范围的 for 循环遍历 map (C++11)
	// for (pair<int,int> mm : m)
	// {
	// 	cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }

	// 使用 auto 更简洁
	// for (auto mm:m)
	// {
	// 	cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }
}

// 降序遍历：使用 greater<int> 进行键值的降序排列
void print1(map<int, int, greater<int>>& m)
{
	// 通过迭代器遍历 map，按降序输出键值对
	for (map<int, int, greater<int>>::iterator it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	{
		cout << "键值：" << it->first << " " << "实值：" << it->second << " ";
		cout << endl;
	}

	cout << endl;

	// 使用 auto 简化代码
	// for (auto it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	// {
	// 	cout << "键值：" << (*it).first << " " << "实值：" << it->second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }


	/*基于范围for循环：注意这里的元素类型为二元组
	for (pair<int,int> mm : m)
	{
		cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
		cout << endl;
	}*/


	/*auto最好用，没有之一
	for (auto mm:m)
	{
		cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
		cout << endl;
	}*/
}

5. map 大小和交换

5.1获取容器大小：

.size()：返回 map 容器中的元素数量。
.empty()：判断 map 是否为空。

cout << "Size: " << m.size() << endl;
cout << "Is empty: " << m.empty() << endl;

5.2交换：

.swap()：交换两个 map 容器的内容。

map<int, int> m1, m2;
m1[1] = 10; m2[2] = 20;
m1.swap(m2);  // 交换 m1 和 m2 的内容

示例：

// 2. map大小和交换
void test1()
{
	map<int, int> m;

	// 插入键值对
	m.insert(pair<int, int>(1, 3));
	m.insert(pair<int, int>(2, 0));
	m.insert(pair<int, int>(5, 3));

	// 判断 map 是否为空
	if (m.empty())
	{
		cout << "m为空！" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "m的长度为：" << m.size() << endl;
	}

	// 交换两个 map 容器
	map<int, int> m1;
	m1.insert(pair<int, int>(3, 1));
	m1.insert(pair<int, int>(4, 1));
	m1.insert(pair<int, int>(5, 3));

	cout << "交换前：" << endl;
	cout << "m: " << endl;
	print(m);

	cout << endl << "m1: " << endl;
	print(m1);

	// 执行交换
	m.swap(m1);

	cout << "交换后：" << endl;
	cout << "m: " << endl;
	print(m);

	cout << endl << "m1: " << endl;
	print(m1);
}

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6. map 插入和删除

6.1 插入：

  • insert(elem)：插入一个键值对元素。
    分为：
.insert(pair<int, int>(first, second)); 

.insert(make_pair(first, second));

.insert(map<int, int>::value_type(first, second));
  • 使用 [] 插入键值对。（好用）
m.insert(pair<int, int>(1, 100));
m[2] = 200;

6.2 删除：

erase(pos)：删除pos迭代器所指的元素，返回下一个元素的迭代器
erase(beg, end)：删除区间[beg,end)的所有元素 ，返回下一个元素的迭代器。
erase(key)：删除键值为 key 的元素。

m.erase(2);          // 删除键值为 2 的元素
m.erase(m.begin());  // 删除第一个元素
m.clear();           // 清空所有元素

示例：

// 3. map插入和删除
void test2()
{
	map<int, int> m;

	// 插入键值对的不同方法
	m.insert(pair<int, int>(1, 1));                
	// 方法一：pair
	
	m.insert(make_pair(2, 100));                  
	 // 方法二：make_pair
	
	m.insert(map<int, int>::value_type(3, 44));   
	 // 方法三：value_type
	
	m[4] = 55;                                     
	// 方法四：中括号操作符

	print(m);

	// 删除元素
	m.erase(m.begin());    // 删除迭代器指向的元素
	print(m);

	m.erase(3);            // 删除键值为3的元素
	print(m);

	m.erase(m.begin(), m.end());   // 删除区间中的所有元素
	//等价于m.clear();
	print(m);
}

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7. map 查找和统计

7.1查找：

find(key)：查找 key，返回指向该元素的迭代器，如果不存在则返回 map.end()。

auto it = m.find(1);
if (it != m.end()) 
{
    cout << "查找成功: " << it->first << "实值: " << it->second << endl;
} 
else 
{
    cout << "查找失败" << endl;
}

7.2统计：

count(key)：返回键值为 key 的元素个数，map 中的键唯一，因此结果要么为 0（不存在），要么为 1（存在）。

cout << "键值为1的元素数量: " << m.count(1) << endl;

示例：

// 4. map查找和统计
void test3()
{
	map<int, int> m;
	m[0] = 45;
	m[4] = 34;
	m[5] = 0;

	// 查找键值为4的元素
	map<int, int>::iterator it = m.find(4);
	if (it != m.end())
	{
		cout << "查找成功：" << it->first << " " << it->second << endl;
	}
	else
	{
		cout << "查找失败" << endl;
	}

	// 统计键值为0的元素个数
	if (m.count(0))
	{
		cout << "查找成功" << endl << "数量为：" << m.count(0) << endl;
	}
	else
	{
		cout << "查找失败" << endl;
	}
}

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8. map 排序

map 默认按照键的升序进行排序。如果需要自定义排序顺序，可以通过第三个模板参数指定比较器（如 greater）。

8.1默认升序排序：

map<int, int> m;
m[3] = 100;
m[1] = 200;
m[2] = 300;

8.2自定义降序排序：

map<int, int, greater<int>> m1;
m1[3] = 100;
m1[1] = 200;
m1[2] = 300;

示例：

// 5. map排序：键值默认从小到大排序
void test4()
{
	// 默认升序排序
	map<int, int> m;
	m[0] = 11;
	m[1] = 23;
	m[-22] = 56;

	print(m);

	// 使用 greater<int> 进行降序排序
	map<int, int, greater<int>> m1;
	m1[0] = 11;
	m1[1] = 23;
	m1[-22] = 56;

	print1(m1);
}

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整体操作如下：

//map:关联式容器

// map中所有元素都是pair:
//匿名pair: pair<类型，类型>（键值，实值);
 
//pair中第一个元素为key（键值），起到索引作用，第二个元素为value（实值）
//所有元素都会根据元素的键值自动排序

//map不允许容器中有重复key值元素
//multimap允许容器中有重复key值元素

#include<iostream>
#include<map>  // 引入 map 关联式容器头文件
using namespace std;

// map<键类型, 值类型, 比较器> mp

// 键类型：用于存储键的数据类型
// 值类型：用于存储与键相关联的值的数据类型
// 比较器：用于键值比较的规则，默认是 less<类型>，即从小到大排序，可以自定义为 greater<类型> 来改变排序顺序

// 1. map构造和赋值：对map容器进行构造和赋值操作
// 构造：
// map<T1, T2> mp;                     // map默认构造函数
// map(const map& mp);                 // 拷贝构造函数

// 赋值：
// map& operator=(const map& mp);      // 重载等号操作符

// 2. map大小和交换：统计map容器的大小并交换两个map容器
// size();                             // 返回容器中的元素数量
// empty();                            // 判断容器是否为空
// swap(st);                           // 交换两个map容器

// 3. map插入和删除：对map容器插入和删除元素
// insert(elem);                       // 插入一个元素
// clear();                            // 清空所有元素
// erase(pos);                         // 删除pos迭代器所指的元素，返回下一个元素的迭代器
// erase(beg, end);                    // 删除区间[beg,end)的所有元素 ，返回下一个元素的迭代器
// erase(key);                         // 删除键值为 key 的元素

// 4. map查找和统计：查找和统计数据
// find(key);                          // 查找key是否存在，存在则返回该键的元素的迭代器，不存在则返回map.end()
// count(key);                         // 统计键值为key的元素个数

// 5. map排序：map容器默认使用键值的升序排序

// 默认排序遍历：
void print(map<int, int>& m)
{
	// 使用迭代器遍历 map，按升序输出键值对
	for (map<int, int>::iterator it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	{
		cout << "键值：" << (*it).first << " " << "实值：" << it->second << " ";
		cout << endl;
	}
	cout << endl;

	// auto 简化迭代器类型（C++11）
	// for (auto it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	// {
	// 	cout << "键值：" << (*it).first << " " << "实值：" << it->second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }

	// 基于范围的 for 循环遍历 map (C++11)
	// for (pair<int,int> mm : m)
	// {
	// 	cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }

	// 使用 auto 更简洁
	// for (auto mm:m)
	// {
	// 	cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }
}

// 降序遍历：使用 greater<int> 进行键值的降序排列
void print1(map<int, int, greater<int>>& m)
{
	// 通过迭代器遍历 map，按降序输出键值对
	for (map<int, int, greater<int>>::iterator it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	{
		cout << "键值：" << it->first << " " << "实值：" << it->second << " ";
		cout << endl;
	}

	cout << endl;

	// 使用 auto 简化代码
	// for (auto it = m.begin(); it != m.end(); it++)
	// {
	// 	cout << "键值：" << (*it).first << " " << "实值：" << it->second << " ";
	// 	cout << endl;
	// }


	/*基于范围for循环：注意这里的元素类型为二元组
	for (pair<int,int> mm : m)
	{
		cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
		cout << endl;
	}*/


	/*auto最好用，没有之一
	for (auto mm:m)
	{
		cout << "键值：" << mm.first << " " << "实值：" << mm.second << " ";
		cout << endl;
	}*/
}

// 1. map构造和赋值
void test0()
{
	// 默认构造 map 容器
	map<int, int> m;

	// 插入键值对
	m.insert(pair<int, int>(1, 3));
	m.insert(pair<int, int>(4, 0));
	m.insert(pair<int, int>(1, 3));  // 重复键值不会插入
	m.insert(pair<int, int>(4, 9));  // 键值相同，实值不同，仍然只保留键值唯一的元素
	m.insert(pair<int, int>(5, 100));

	print(m);

	// 拷贝构造
	map<int, int> m2(m);  // 用 m 初始化 m2
	print(m2);

	// 赋值操作
	map<int, int> m3 = m2;  // 将 m2 的内容赋给 m3
	print(m3);
}

// 2. map大小和交换
void test1()
{
	map<int, int> m;

	// 插入键值对
	m.insert(pair<int, int>(1, 3));
	m.insert(pair<int, int>(2, 0));
	m.insert(pair<int, int>(5, 3));

	// 判断 map 是否为空
	if (m.empty())
	{
		cout << "m为空！" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "m的长度为：" << m.size() << endl;
	}

	// 交换两个 map 容器
	map<int, int> m1;
	m1.insert(pair<int, int>(3, 1));
	m1.insert(pair<int, int>(4, 1));
	m1.insert(pair<int, int>(5, 3));

	cout << "交换前：" << endl;
	cout << "m: " << endl;
	print(m);

	cout << endl << "m1: " << endl;
	print(m1);

	// 执行交换
	m.swap(m1);

	cout << "交换后：" << endl;
	cout << "m: " << endl;
	print(m);

	cout << endl << "m1: " << endl;
	print(m1);
}

// 3. map插入和删除
void test2()
{
	map<int, int> m;

	// 插入键值对的不同方法
	m.insert(pair<int, int>(1, 1));                // 方法一：pair
	m.insert(make_pair(2, 100));                   // 方法二：make_pair
	m.insert(map<int, int>::value_type(3, 44));    // 方法三：value_type
	m[4] = 55;                                     // 方法四：中括号操作符

	print(m);

	// 删除元素
	m.erase(m.begin());    // 删除迭代器指向的元素
	print(m);

	m.erase(3);            // 删除键值为3的元素
	print(m);

	m.erase(m.begin(), m.end());    // 删除区间中的所有元素
	//等价于m.clear();
	print(m);
}

// 4. map查找和统计
void test3()
{
	map<int, int> m;
	m[0] = 45;
	m[4] = 34;
	m[5] = 0;

	// 查找键值为4的元素
	map<int, int>::iterator it = m.find(4);
	if (it != m.end())
	{
		cout << "查找成功：" << it->first << " " << it->second << endl;
	}
	else
	{
		cout << "查找失败" << endl;
	}

	// 统计键值为0的元素个数
	if (m.count(0))
	{
		cout << "查找成功" << endl << "数量为：" << m.count(0) << endl;
	}
	else
	{
		cout << "查找失败" << endl;
	}
}

// 5. map排序：键值默认从小到大排序
void test4()
{
	// 默认升序排序
	map<int, int> m;
	m[0] = 11;
	m[1] = 23;
	m[-22] = 56;

	print(m);

	// 使用 greater<int> 进行降序排序
	map<int, int, greater<int>> m1;
	m1[0] = 11;
	m1[1] = 23;
	m1[-22] = 56;

	print1(m1);
}

int main()
{
	test0();
	test1();
	test2();
	test3();
	test4();
	return 0;
}

9.相关注意事项

9.1. 键的唯一性

map 中的键必须是唯一的。这意味着你不能在 map 中插入具有相同键的多个元素。如果尝试插入一个已存在的键，map 将保持原来的值，不会更新或插入新的键值对。

map<int, int> m;
m.insert(make_pair(1, 100)); // 插入键值对 (1, 100)
m.insert(make_pair(1, 200)); // 插入失败，键 1 已存在

cout << "键值：" << m[1] << endl; // 输出 100

如果你希望插入时更新键值，可以使用 [] 操作符

m[1] = 200; // 更新键 1 的值为 200

9.2. 使用 [] 操作符时的注意

当你使用 map[key] 来访问键时，如果该键不存在，map 会默认插入该键，并将值初始化为零或默认值。这可能导致意外的元素插入。

map<int, int> m;
int value = m[5];  
// 键 5 不存在，map 会自动插入键 5，其值为 0
cout << "m[5] = " << value << endl; // 输出 m[5] = 0

为避免这种行为，可以使用 find() 来检查键是否存在：

if (m.find(5) != m.end()) 
{
    cout << "键 5 存在" << endl;
}
else 
{
    cout << "键 5 不存在" << endl;
}

9.3. 修改键

map 不允许修改键。一旦键被插入到 map 中，它的值可以被修改，但键不能被更改。如果需要修改键，必须先删除该键，然后再插入新的键值对。

map<int, int> m;
m.insert(make_pair(1, 100));
m.begin()->first = 2;  // 错误，不能修改键

9.4. 避免重复插入（了解）

插入元素时，检查是否成功非常重要。map 的 insert() 函数返回一个 pair，其中 second 元素为 bool 值，指示插入是否成功。如果插入失败（因为键已存在），second 会是 false。

pair<map<int, int>::iterator, bool> ret = m.insert(make_pair(1, 100));
if (!ret.second)
 {
    cout << "插入失败，键 1 已存在" << endl;
}

9.5. 迭代器失效

在 map 中，插入或删除元素时，当前的迭代器不会失效。唯一会使迭代器失效的操作是删除迭代器指向的元素。 因此，当你删除某个元素时，确保适当地处理迭代器，以避免使用失效的迭代器。

for (auto it = m.begin(); it != m.end(); ) 
{
    if (it->first == 3) 
    {
        it = m.erase(it);  // erase 返回下一个有效的迭代器
    } 
    else 
    {
        it++;  // 手动递增迭代器
    }

}

9.6总结

  • 唯一键：map 不允许重复键，插入相同键时会保持原值。

  • [] 操作符自动插入：使用 [] 时要小心自动插入不存在的键。

  • 不可修改键：map 中键值对的键不可修改，只能删除后重新插入。

  • 避免迭代器失效：特别是在删除元素时，确保适当处理迭代器。

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