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深入理解C++中的 unordered_map 和 unordered_set

在C++标准库中，unordered_map 和 unordered_set 是两个基于‌哈希表（Hash Table）‌实现的高效容器。它们以‌O(1)‌的平均时间复杂度实现快速查找、插入和删除操作，特别适合需要高频操作且无需元素有序排列的场景。本文将从原理、用法、性能和应用场景等方面全面解析这两个容器。

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一、核心概念与底层实现

1. ‌哈希表（Hash Table）‌

• ‌原理‌：通过哈希函数将键（Key）映射到存储位置（桶），直接定位数据。
• ‌冲突处理‌：当不同键映射到同一位置时，使用‌链地址法‌（链表存储冲突元素）或开放地址法。

2. ‌unordered_map‌

• ‌定义‌：存储键值对（key-value），键唯一，值可重复。
• ‌底层结构‌：哈希表存储pair<const Key, Value>。

3. ‌unordered_set‌

• ‌定义‌：存储唯一元素（仅键），自动去重。
• ‌底层结构‌：哈希表直接存储元素（键）。

• 二、基本操作与用法示例子

#include <unordered_map>
#include <unordered_set>// unordered_map 示例
std::unordered_map<std::string, int> wordCount = {{"apple", 5}, {"banana", 3}
};// unordered_set 示例
std::unordered_set<int> uniqueNumbers = {1, 2, 3, 4};

2. ‌插入元素

// unordered_map
wordCount.insert({"grape", 2});
wordCount["orange"] = 4; // 支持下标操作符// unordered_set
uniqueNumbers.insert(5);

3. ‌查找元素

// unordered_map
if (wordCount.find("apple") != wordCount.end()) {std::cout << "Found apple with count: " << wordCount["apple"] << std::endl;
}// unordered_set
if (uniqueNumbers.count(3) > 0) {std::cout << "3 exists in the set." << std::endl;
}

4. ‌删除元素

// unordered_map
wordCount.erase("banana");// unordered_set
uniqueNumbers.erase(2);

5. ‌遍历容器 

/ 遍历 unordered_map
for (const auto& pair : wordCount) {std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
}// 遍历 unordered_set
for (const auto& num : uniqueNumbers) {std::cout << num << " ";
}

三、性能特点与对比

1. ‌时间复杂度‌

操作	平均时间复杂度	最坏情况
插入、删除、查找	O(1)	O(n)（哈希冲突严重时）

2. ‌与有序容器的对比‌

特性	unordered_map/set	map/set
‌底层结构‌	哈希表	红黑树（平衡二叉搜索树）
‌元素顺序‌	无序	按键有序排列
‌查找速度‌	更快（平均O(1)）	O(log n)
‌内存占用‌	较低（无额外指针）	较高（树结构）

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四、应用场景

1. ‌unordered_map 典型场景‌

• ‌统计词频‌：快速记录单词出现次数。
• ‌缓存系统‌：通过键直接获取缓存值。
• ‌唯一键值存储‌：如用户ID到用户信息的映射。

2. ‌unordered_set 典型场景‌

• ‌去重操作‌：过滤重复元素（如日志去重）。
• ‌存在性检查‌：快速判断元素是否存在（如黑名单验证）。
• ‌集合运算‌：求交集、并集（需结合其他方法）。

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五、高级用法与注意事项

1. ‌自定义哈希函数‌

当键为自定义类型时，需提供哈希函数和相等比较器：

struct Person {std::string name;int age;
};// 自定义哈希函数
struct PersonHash {size_t operator()(const Person& p) const {return std::hash<std::string>()(p.name) ^ std::hash<int>()(p.age);}
};// 自定义相等比较
struct PersonEqual {bool operator()(const Person& p1, const Person& p2) const {return p1.name == p2.name && p1.age == p2.age;}
};// 使用自定义类型
std::unordered_set<Person, PersonHash, PersonEqual> personSet;

2. ‌调整哈希表性能‌

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六、总结

‌何时选择 unordered_map/set？‌

通过合理选择容器，可以显著提升程序性能。对于大多数高频操作场景，unordered_map 和 unordered_set 凭借其哈希表的高效性，成为C++开发者的首选工具。

 本文的讲解到此结束，谢谢大家的观看，有问题欢迎给我留评论。‌

• ‌负载因子（Load Factor）‌：桶中元素平均数量，影响冲突概率。

• wordCount.max_load_factor(0.7); // 设置最大负载因子
  wordCount.rehash(100);          // 预分配桶数量

  3. ‌常见陷阱‌

• ‌哈希冲突‌：劣质哈希函数可能导致性能退化至O(n)。
• ‌迭代器失效‌：插入操作可能导致迭代器失效（触发rehash时）。
• 需要‌快速查找、插入、删除‌且不关心元素顺序时。
• 数据规模较大，且哈希函数设计合理时。
• 需要元素按序排列，或频繁进行范围查询（如lower_bound）。