java 与 c++在遍历 map 数据结构上的一些差异

news2025/3/4 22:28:27

在编写动态规划时，发现了一个现象：

C++ 中的 unordered_map 和 map 可以一边遍历一边添加数据
Java 中的 HashMap 却不能，Java 只能通过 ConcurrentSkipListMap 实现在遍历中添加数据。

问了 grok，原来是两个编程语言在 map 数据结构底层设计的不同，总结如下。

文章目录

- 1. `map` 和 `unordered_map` 的迭代器行为
- - (1) `std::map`（红黑树实现）
  - (2) `std::unordered_map`（哈希表实现）
- 2. 代码示例
- - `std::map` 示例
  - `std::unordered_map` 示例
- 3. 与 Java `HashMap` 的对比
- - 关键差异
- 4. 注意事项
- 5. 为什么与 Java `ConcurrentSkipListMap` 不同？
- 6. 总结

在 C++ 中，unordered_map 和 map 在遍历时一边添加数据（即插入新元素）之所以是可行的，是因为它们的迭代器设计和底层数据结构的特性允许这种操作，而不会像 Java 的 HashMap 那样抛出类似 ConcurrentModificationException 的异常。以下是对这一现象的详细解释，以及为什么它们在遍历中添加数据时表现不同的原因。

1. `map` 和 `unordered_map` 的迭代器行为

C++ 标准库中的容器（如 std::map 和 std::unordered_map）遵循明确的迭代器失效规则。这些规则决定了在修改容器时，现有迭代器是否会变为无效（invalid）。关键点在于：插入操作不会使已有迭代器失效。

(1) `std::map`（红黑树实现）

std::map 是一个有序关联容器，底层基于红黑树（一种自平衡二叉搜索树）。
迭代器失效规则：
- 插入（insert）或删除（erase）操作不会使指向已有元素的迭代器失效。
- 只有当某个具体元素被删除时，指向该元素的迭代器才会失效。
为什么可以一边遍历一边添加：
- 在遍历 map 时（例如使用 for 循环或迭代器），插入新元素只会调整红黑树的结构，但不会影响已有节点的内存地址或迭代器的有效性。
- 插入操作的时间复杂度是 O(log n)，但不会破坏正在进行的遍历。

(2) `std::unordered_map`（哈希表实现）

std::unordered_map 是一个无序关联容器，底层基于哈希表（通常是链地址法）。
迭代器失效规则：
- 插入（insert）操作不会使已有迭代器失效，除非触发了哈希表的重新散列（rehash）。
- 如果插入导致哈希表容量不足（负载因子超过阈值），会触发 rehash，此时所有迭代器都会失效。
为什么可以一边遍历一边添加：
- 在不触发 rehash 的情况下，插入新元素只会修改某个桶的链表（或类似结构），而不影响其他桶中已有元素的迭代器。
- 如果遍历时小心避免 rehash（例如预先用 reserve 设置足够容量），就可以安全添加数据。

2. 代码示例

以下是 C++ 中 map 和 unordered_map 在遍历时添加数据的例子：

`std::map` 示例

#include <iostream>
#include <map>

int main() {
    std::map<int, int> m = {{1, 10}, {2, 20}};
    
    for (auto it = m.begin(); it != m.end(); ++it) {
        if (it->first == 2) {
            m.insert({3, 30}); // 在遍历时插入新元素
        }
        std::cout << it->first << ": " << it->second << "\n";
    }
    
    // 输出完整 map
    for (auto [key, value] : m) {
        std::cout << key << ": " << value << "\n";
    }
    return 0;
}

输出：

插入 3: 30 不会影响已有迭代器，遍历继续正常进行。

`std::unordered_map` 示例

#include <iostream>
#include <unordered_map>

int main() {
    std::unordered_map<int, int> um = {{1, 10}, {2, 20}};
    um.reserve(10); // 预留空间，避免 rehash
    
    for (auto it = um.begin(); it != um.end(); ++it) {
        if (it->first == 2) {
            um.insert({3, 30}); // 在遍历时插入新元素
        }
        std::cout << it->first << ": " << it->second << "\n";
    }
    
    // 输出完整 unordered_map
    for (auto [key, value] : um) {
        std::cout << key << ": " << value << "\n";
    }
    return 0;
}

输出（顺序可能不同，因为是无序的）：

只要不触发 rehash（通过 reserve 预留空间），插入不会使迭代器失效。

3. 与 Java `HashMap` 的对比

Java 的 HashMap 在遍历时不允许修改（添加或删除），否则会抛出 ConcurrentModificationException。这是因为：

Java 的 HashMap 使用**快速失败（fail-fast）**迭代器设计。一旦检测到结构修改（通过修改计数器 modCount），迭代器会立即抛出异常。
C++ 的 map 和 unordered_map 没有类似的机制，它们的迭代器是基于指针的惰性设计，只要内存地址有效，迭代器就可用。

关键差异

Java: 检查结构性修改（put、remove 等改变大小的操作），主动抛出异常。
C++: 只关心迭代器指向的元素是否仍然有效，插入操作通常不会影响已有元素。

4. 注意事项

尽管 C++ 的 map 和 unordered_map 允许一边遍历一边添加数据，但仍需注意以下问题：

map：
- 如果在遍历中插入大量元素，可能会导致性能下降（每次插入 O(log n)）。
- 如果删除元素，需小心处理当前迭代器（例如使用 erase 返回的新迭代器）。
unordered_map：
- 如果插入触发 rehash，所有迭代器都会失效，导致未定义行为（undefined behavior）。可以用 reserve 提前分配空间来避免。
- 示例（触发 rehash 的错误情况）：
```
std::unordered_map<int, int> um;
for (auto it = um.begin(); it != um.end(); ++it) {
    um.insert({um.size() + 1, 0}); // 可能触发 rehash，迭代器失效
}
```