关联容器概述

顺序容器存储的都是 C++ 基本数据类型，而关联容器则大不一样，此类容器在存储元素值的同时，还会为各元素额外再配备一个值（又称为“键”，其本质也是一个 C++ 基础数据类型或自定义类型的元素），它的功能是在使用关联容器的过程中，如果已知目标元素的键的值，则直接通过该键就可以找到目标元素，而无需再通过遍历整个容器的方式。

弃用顺序容器，转而选用关联容器存储元素，往往就是看中了关联容器可以快速查找、读取或者删除所存储的元素，同时该类型容器插入元素的效率也比序列式容器高。

也就是说，使用关联容器存储的元素，都是一个一个的“键值对”（ <key,value> ），这是和顺序容器最大的不同。除此之外，顺序容器中存储的元素默认都是未经过排序的，而使用关联容器存储的元素，默认会根据各元素的键值的大小做升序排序。

关联容器所具备的这些特性，归咎于 STL 标准库在实现该类型容器时，底层选用了「红黑树」这种数据结构来组织和存储各个键值对。

关联容器种类

C++ STL 标准库提供了 4 种关联容器，分别为 map、set、multimap、multiset，其各自的特点如下表所示：

关联式容器名称	特点
map	定义在 <map> 头文件中，使用该容器存储的数据，其各个元素的键必须是唯一的（即不能重复），该容器会根据各元素键的大小，默认进行升序排序（调用 std::less<T>）。
set	定义在 <set> 头文件中，使用该容器存储的数据，各个元素键和值完全相同，且各个元素的值不能重复（保证了各元素键的唯一性）。该容器会自动根据各个元素的键（其实也就是元素值）的大小进行升序排序（调用 std::less<T>）。
multimap	定义在 <map> 头文件中，和 map 容器唯一的不同在于，multimap 容器中存储元素的键可以重复。
multiset	定义在 <set> 头文件中，和 set 容器唯一的不同在于，multiset 容器中存储元素的值可以重复（一旦值重复，则意味着键也是重复的）。

除此之外，C++ 11 还新增了 4 种哈希容器，即 unordered_map、unordered_multimap 以及 unordered_set、unordered_multiset。严格来说，它们也属于关联式容器，但哈希容器底层采用的是哈希表，而不是红黑树。

pair 用法详解

我们知道，关联容器存储的是“键值对”形式的数据，比如：

<"C语言教程", "http://c.biancheng.net/c/">
<"Python教程", "http://c.biancheng.net/python/">
<"Java教程", "http://c.biancheng.net/java/">

如上所示，每行都表示一个键值对，其中第一个元素作为键（key），第二个元素作为值（value）。

注意，基于各个关联容器存储数据的特点，只有各个键值对中的键和值全部对应相等时，才能使用 set 和 multiset 关联容器存储，否则就要选用 map 或者 multimap 关联容器。

考虑到“键值对”并不是普通类型数据，C++ STL 标准库提供了 pair 类模板，其专门用来将 2 个普通元素 first 和 second（可以是 C++ 基本数据类型、结构体、类自定的类型）创建成一个新元素<first, second>。通过其构成的元素格式不难看出，使用 pair 类模板来创建“键值对”形式的元素，再合适不过。

注意，pair 类模板定义在<utility>头文件中，所以在使用该类模板之前，需引入此头文件。

在 C++ 11 标准之前，pair 类模板中提供了以下 3 种构造函数：

// 1) 默认构造函数，即创建空的 pair 对象
pair();
// 2) 直接使用 2 个元素初始化成 pair 对象
pair (const first_type& a, const second_type& b);
// 3) 拷贝（复制）构造函数，即借助另一个 pair 对象，创建新的 pair 对象
template<class U, class V> pair (const pair<U,V>& pr);

在 C++ 11 标准中，在引入右值引用的基础上，pair 类模板中又增添了如下 2 个构造函数：

// 4) 移动构造函数
template<class U, class V> pair (pair<U,V>&& pr);
// 5) 使用右值引用参数，创建 pair 对象
template<class U, class V> pair (U&& a, V&& b);

除此之外，C++ 11 标准中 pair 类模板还新增加了如下一种构造函数：pair (piecewise_construct_t pwc, tuple<Args1...> first_args, tuple<Args2...> second_args);，但该构造 pair 类模板的方式很少用到。

下面程序演示了以上几种创建 pair 对象的方法：

#include <iostream>
#include <utility>      // pair
#include <string>       // string
using namespace std;

int main() {
    // 调用构造函数 1，也就是默认构造函数
    pair <string, double> pair1;
    // 调用第 2 种构造函数
    pair <string, string> pair2("STL教程","http://c.biancheng.net/stl/");  
    // 调用拷贝构造函数
    pair <string, string> pair3(pair2);
    // 调用移动构造函数
    pair <string, string> pair4(make_pair("C++教程", "http://c.biancheng.net/cplus/"));
    // 调用第 5 种构造函数
    pair <string, string> pair5(string("Python教程"), string("http://c.biancheng.net/python/"));  
   
    cout << "pair1: " << pair1.first << " " << pair1.second << endl;
    cout << "pair2: "<< pair2.first << " " << pair2.second << endl;
    cout << "pair3: " << pair3.first << " " << pair3.second << endl;
    cout << "pair4: " << pair4.first << " " << pair4.second << endl;
    cout << "pair5: " << pair5.first << " " << pair5.second << endl;
    return 0;
}

程序输出结果为：

pair1: 0
pair2: STL教程 http://c.biancheng.net/stl/
pair3: STL教程 http://c.biancheng.net/stl/
pair4: C++教程 http://c.biancheng.net/cplus/
pair5: Python教程 http://c.biancheng.net/python/

上面程序在创建 pair4 对象时，调用了 make_pair() 函数，它也是 <utility> 头文件提供的，其功能是生成一个 pair 对象。因此，当我们将 make_pair() 函数的返回值（是一个临时对象）作为参数传递给 pair() 构造函数时，其调用的是移动构造函数，而不是拷贝构造函数。

在上面程序的基础上，C++ 11 还允许我们手动为 pair1 对象赋值，比如：

pair1.first = "Java教程";
pair1.second = "http://c.biancheng.net/java/";
cout << "new pair1: " << pair1.first << " " << pair1.second << endl;

执行结果为：

new pair1: Java教程 http://c.biancheng.net/java/

同时，上面程序中 pair4 对象的创建过程，还可以写成如下形式，它们是完全等价的：

pair <string, string> pair4 = make_pair("C++教程", "http://c.biancheng.net/cplus/");
cout << "pair4: " << pair4.first << " " << pair4.second << endl;

<utility>头文件中除了提供创建 pair 对象的方法之外，还为 pair 对象重载了 <、<=、>、>=、==、!= 这 6 个运算符，其运算规则是：对于进行比较的 2 个 pair 对象，先比较 pair.first 元素的大小，如果相等则继续比较 pair.second 元素的大小。

注意，对于进行比较的 2 个 pair 对象，其对应的键和值的类型比较相同，否则将没有可比性，同时编译器提示没有相匹配的运算符，即找不到合适的重载运算符。

举个例子：

#include <iostream>
#include <utility>      // pair
#include <string>       // string
using namespace std;

int main() {
    pair <string, int> pair1("STL教程", 20);
    pair <string, int> pair2("C++教程", 20);
    pair <string, int> pair3("C++教程", 30);
    // pair1和pair2的key不同，value相同
    if (pair1 != pair2) {
        cout << "pair != pair2" << endl;
    }
    // pair2和pair3的key相同，value不同
    if (pair2 != pair3) {
        cout << "pair2 != pair3" << endl;
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

pair != pair2
pair2 != pair3

最后需要指出的是，pair类模板还提供有一个 swap() 成员函数，能够互换 2 个 pair 对象的键值对，其操作成功的前提是这 2 个 pair 对象的键和值的类型要相同。例如：

#include <iostream>
#include <utility>      // pair
#include <string>       // string
using namespace std;

int main() {
    pair <string, int> pair1("pair", 10);                   
    pair <string, int> pair2("pair2", 20);
    // 交换 pair1 和 pair2 的键值对
    pair1.swap(pair2);
    cout << "pair1: " << pair1.first << " " << pair1.second << endl;
    cout << "pair2: " << pair2.first << " " << pair2.second << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

pair1: pair2 20
pair2: pair 10

C++STL：关联容器

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pair 用法详解

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