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【重走C++学习之路】20、unordered_map和unordered_set

news 来源：原创 2025/5/2 5:20:29

一、无序关联式容器

二、unordered_map

2.1 构造函数

2.2 容量操作

2.3 迭代器

2.4 增删查操作

三、unordered_set

3.1 构造函数

3.2 容量操作

3.3 迭代器

3.4 增删查操作

四、基于哈希表实现unordered_map和unordered_set

4.1 改造哈希表

1. 基本结构

2. 迭代器实现

4.2 封装unordered_map和unordered_set

结语

一、无序关联式容器

在 C++ 中，无序关联式容器是一类基于键（Key）快速访问元素的容器，其元素没有预设的顺序（不按键排序），而是通过哈希表（Hash Table）实现存储和检索，具有平均情况下 (O(1)) 的插入、删除和查找效率。

主要特点：

无序性
元素的存储顺序与键的插入顺序或键值大小无关，迭代器遍历的顺序是不确定的（由哈希表内部结构决定），不支持按顺序访问（如有序容器 map 的按键排序）。

关联式访问
每个元素由键值对（key-value，如 unordered_map）或单一键（unordered_set）组成，通过键快速定位元素，属于 “关联式容器”（区别于序列式容器如 vector）。

哈希表实现

通过哈希函数（Hash Function）将键映射到哈希表的桶（Bucket）中，冲突（不同键映射到同一桶）通过链地址法（桶内用链表或红黑树存储冲突元素）处理。
C++ 标准库默认使用 std::hash<Key> 作为哈希函数，支持自定义类型时需提供哈希函数和等于谓词（operator==）。

四种无序关联式容器：

容器	描述
`std::unordered_set`	存储唯一键的集合，元素无序。
`std::unordered_map`	存储唯一键值对的集合，键唯一，元素无序。
`std::unordered_multiset`	存储可重复键的集合，元素无序。
`std::unordered_multimap`	存储可重复键值对的集合，元素无序。

使用场景：

需要快速查找、插入、删除：如字典、频率统计（用 unordered_map 统计单词出现次数）。
不关心元素顺序：若需要按键排序，应使用有序关联容器（map/set，基于红黑树，时间复杂度 O(logN))

二、unordered_map

主要特点：

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。
在unordered_map中，键值通常用于唯一地标识元素，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。
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。
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。
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。
它的迭代器是单向迭代器。

2.1 构造函数

常用的几个：

构造函数

构造空的unordered_map对象

拷贝构造函数

利用unordered_map对象构造新的unordered_map对象

迭代器构造

利用迭代器将容器中的某个区间来构造新的unordered_map对象

2.2 容量操作

empty

判断容器是否为空

size

返回容器中的元素个数

2.3 迭代器

迭代器的接口都是一致的，需要注意的是这个容器只有正向迭代器（包括const迭代器）

2.4 增删查操作

operator[]

可以通过key找到value

find

iterator find ( const key_type& k )，查找的时间复杂度可以达到O(1)

insert

pair<iterator,bool> insert ( const value_type& val )，往容器中插入键值对

erase

iterator erase ( const_iterator position )，删除容器中的键值对

clear

清空容器中的元素

swap

交换两个容器中的元素

示例：

void test_unordered_map()
{unordered_map<int, int> um;int arr[] = { 4,2,3,1,6,8,9,3 };for (auto e : arr){um.insert(make_pair(e, e));}unordered_map<int, int>::iterator umit = um.begin();while (umit != um.end()){cout << umit->first << ":" << umit->second << endl;++umit;}
}

三、unordered_set

主要特点：

unordered_set是以无特定顺序存储唯一元素的容器，并且允许根据它们的值快速检索单个元素，是一种K模型。
在unordered_set中，元素的值同时是它的key，它唯一地标识它。键值是不可变的，因unordered_set中的元素不能在容器中修改一次，但是可以插入和删除它们。
在内部，unordered_set中的元素不是按任何特定顺序排序的，而是根据它们的哈希值组织成桶，以允许直接通过它们的值快速访问单个元素，时间复杂度可以达到O(1)。
unordered_set容器比set容器更快地通过它们的key访问单个元素，尽管它们通常对于通过其元素的子集进行范围迭代的效率较低。
容器中的迭代器至少是单向迭代器。

3.1 构造函数

构造函数

构造空的unordered_set对象

拷贝构造函数

利用unordered_set对象构造新的unordered_set对象

迭代器构造

利用迭代器将容器中的某个区间来构造新的unordered_set对象

3.2 容量操作

empty

判断容器是否为空

size

返回容器中的元素个数

3.3 迭代器

同 unordered_map一样只有正向迭代器。

3.4 增删查操作

find

iterator find ( const key_type& k )，查找的时间复杂度可以达到O(1)

insert

pair<iterator,bool> insert ( const value_type& val )，往容器中插入key

erase

iterator erase ( const_iterator position )，删除容器中的key

clear

清空容器中的元素

swap

交换两个容器中的元素

示例：

void test_unordered_set()
{unordered_set<int> us;int arr[] = { 4,2,3,1,6,8,9,3 };for (auto e : arr){us.insert(e);}unordered_set<int>::iterator usit = us.begin();while (usit != us.end()){cout << *usit << " ";++usit;}
}

总结： unordered_map和unordered_set基本上相差不大，就是unordered_map多了一个operator[]的操作，支持通过key找到value的操作。而且与map和set的操作也类似，只是底层在存储结构上有差异。

四、基于哈希表实现unordered_map和unordered_set

这里利用开散列的哈希表来实现unordered_map和unordered_set，有关哈希内容可以去我的上一篇文章查看【重走C++学习之路】19、哈希

4.1 改造哈希表

1. 基本结构

template<class T>
struct HashNode
{T _data;HashNode<T>* _next;HashNode(const T& data):_data(data), _next(nullptr){}
};template<class K, class T, class KOFV, class Hash>
class HashTable
{typedef HashNode<T> Node;private:vector<Node*> _tables;int _num = 0;// 记录表中的数据个数
};

第一个和第二个模板参数跟map和set的是实现类似，为了将key和pair<key,value>封装在一起；第三个模板参数是为了统一取数操作；第四个模板参数是哈希函数。

2. 迭代器实现

template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KOFV, class Hash>
struct __HashTable_Iterator
{typedef __HashTable_Iterator<K, T, Ref, Ptr, KOFV, Hash> Self;typedef HashNode<T> Node;typedef HashTable<K, T, KOFV, Hash> HashTable;Node* _node;HashTable* _ht;__HashTable_Iterator(Node* node, HashTable* ht):_node(node),_ht(ht){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}Self& operator++(){if (_node->_next){_node = _node->_next;return *this;}else{KOFV kofv;int index = _ht->HashFunc(kofv(_node->_data)) % _ht->_tables.size();for (size_t i = index + 1; i < _ht->_tables.size(); ++i){if (_ht->_tables[i]){_node = _ht->_tables[i];return *this;}}_node = nullptr;return *this;}		}bool operator==(const Self& self) const{return _node == self._node&& _ht == self._ht;}bool operator!=(const Self& self) const{return !this->operator==(self);}
}；

3. 哈希表内部修改

template<class K, class T, class KOFV, class Hash>
class HashTable
{typedef HashNode<T> Node;friend struct __HashBucket_Iterator<K, T, T&, T*, KOFV, Hash>;// 为了让迭代器中能够使用HashFunc这个函数public:typedef __HashTable_Iterator<K, T, T&, T*, KOFV, Hash> iterator;iterator begin(){for (size_t i = 0; i < _tables.size(); ++i){if (_tables[i] != nullptr)return iterator(_tables[i], this);// 哈希桶的第一个节点 }return end();// 没有节点返回最后一个迭代器}iterator end(){return iterator(nullptr, this);}
};

4.2 封装unordered_map和unordered_set

template<class K, class V, class Hash = _Hash<K>>
class unordered_map
{struct MapKeyOfValue{const K& operator()(const pair<K, V>& kv){return kv.first;}};typedef HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfValue, Hash> HashTable;public:// 告诉编译器这只是一个类型typedef typename HashBucket::iterator iterator;iterator begin(){return _ht.begin();}iterator end(){return _ht.end();}pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv){return _ht.Insert(kv);}bool erase(const K& key){return _ht.Erase(key);}iterator find(const K& key){return _ht.Find(key);}V& operator[](const K& key){pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));return ret.first->second;}private:HashBucket _ht;
};template<class K, class Hash = _Hash<K>>
class unordered_set
{struct SetKeyOfValue{const K& operator()(const K&  key){return key;}};typedef HashTable<K, K, SetKeyOfValue, Hash> HashTable;
public:// 告诉编译器这只是一个类型typedef typename HashBucket::iterator iterator;iterator begin(){return _ht.begin();}iterator end(){return _ht.end();}pair<iterator, bool> insert(const K& kv){return _ht.Insert(kv);}bool erase(const K& key){return _ht.Erase(key);}iterator find(const K& key){return _ht.Find(key);}private:HashBucket _ht;
};