stl map之從入門到真的很懂

介紹

• map是有序鍵-值（key-value）容器
• 在數據獲取速度方面map通常慢於 unordered_map(爲什麼時通常？這個下一節介紹unordered_map時將會講解)
• map通常是基於紅黑樹實現的
• 本文中的關於容器實現的代碼均來自msvc std

何爲有序

有序，即key有序，map是基於紅黑樹的，每個節點爲key-value，
value省略不寫。紅黑樹是二叉查找樹的一種，先看一個二叉查找樹實現的map，結構如下：

    8
   / \
  3   10
 / \    \
1   6    14
   / \   /
  4   7 13

可以看到，按照先序遍歷的話key值依次是1 3 4 6 7 8 10 13 14是有序的。

二叉查找樹有以下性質

• 所有左子樹節點上的值<根節點上的值
• 所有右子樹節點上的值>根節點上的值
• 任意節點的左右子樹分別爲二叉查找樹

如果到此爲止用二叉查找樹實現map的話會有一個問題，即如果插入的元素的key值本來就是有序的，那麼形成的二叉樹將是以下形式：

                14
                /
               13
              /
             10
            /
           8
          /
         7
        /
       6
      /
     4
    /
   3
  /
 1

這樣帶來的問題便是複雜度的上升，查找的複雜度由O(log(n))退化爲O(n),而避免複雜度退化的方法便是使用紅黑樹實現map，紅黑樹實質上是一種自平衡二叉查找樹。

什麼類型可以作爲key

既然map是基於紅黑樹實現的那麼也就決定了，map的key是惟一的，不能有重複key.
另外，應爲是有序的，所以要想有資格作爲map的key，就必須具備可比較這個硬條件。
比如，基本類型中的int,char,string,等都是可以比較大小的，當然可以作爲key使用。

自定義類型作爲key

自己實現的類或者結構體可以作爲key麼？
比如我們隨便寫一個類作爲key的例子，下邊的這段代碼是無法編譯通過的

#include <iostream>
#include <map>

class CKeyTest
{
public:
   CKeyTest() {};
   ~CKeyTest() {};
   int _age = 0;
};

int main() {
   CKeyTest x1, x2;
   std::map<CKeyTest, int> _map;
   _map[x1] = 1; // 這一行編譯不過
   return 0;
}

對CKeyTest這個類只需稍作修改，即可以了。

#include <iostream>
#include <map>

class CKeyTest
{
public:
   CKeyTest() {};
   ~CKeyTest() {};

   int _age = 0;

   bool operator <(const CKeyTest& obj) const {
      return _age < obj._age;
   }
};

自定義類型作爲key的注意事項

將自定義類用作key有以下需要注意：

1. 要重載比較操作符，如果類的“大小”無法比較，因爲那麼在將新元素插入套紅黑樹的時候，咦？我的位置在哪呢？
2. 程序實現時候要注意如果在類內重載<,那麼這個“函數”必須是const的，,即this指針的類型等價於const &否則還是不能用
3. 上邊的操作符重載也可以通過友元實現，但是與第二條一樣參數類型必須是const &, 如下：

class CKeyTest
{
public:
   CKeyTest() {};
   ~CKeyTest() {};

   int _age = 0;
   friend bool operator <(const CKeyTest& obj, const CKeyTest& obj2);
};

bool operator <(const CKeyTest& obj, const CKeyTest& obj2)
{
   return obj._age < obj._age;
}

使用

map 容器的使用需要添加<map>頭文件, 並且使用命名空間std，命名空間的使用，以下兩種方法都是可以的，
推薦使用第二種。

建議不要在函數外直接使用using namespace std;

#include <iostream>
#include <map>

int main ()
{
  std::map<char,int> _map;
  return 0;
}

#include <iostream>
#include <map>

int main ()
{
  using std::map;
  std::map<char,int> _map;
  return 0;
}

常用成員函數

1. size()
   函數原型size_type size() const;
   返回容器的元素數目，時間複雜度爲$O(1)$，我們看代碼實現：

_NODISCARD size_type size() const noexcept {
      return _Get_scary()->_Mysize;
}

2. empty()
   函數原型bool empty() const noexcept;(c++11)
   函數判斷map是否爲空，時間複雜度爲$O(1)$，代碼實現如下,只是調用了一下上邊的size函數，在使用中遇到需要判斷是否爲空的場景建議使用empty()而不是size() == 0.

_NODISCARD bool empty() const noexcept {
        return size() == 0;
    }

3. max_size
   函數原型size_type max_size() const;
   map可以容納的最大元素數，有下面幾點需要知道：

• c++標準中並沒有對最大容量的具體值做規定，這個返回值的大小取決於編譯器的實現。
• 這個最大值只是一個邏輯上的上限，通常在達到此上限之前已經無法爲新元素分配內存
• 時間複雜度爲$O(1)$

4. 獲取
   map可以通過以下兩種方式獲取元素,操作符[]和函數at()

前文提到過，map通常基於二叉樹實現，因此獲取的時間複雜度，即是二叉樹查找的複雜度，也就是二叉樹的深度log(n)

#include <stdio.h>
#include <map>

int main()
{
   using std::map;
   std::map<int,double> _map;

   _map[2] = 3.14; // 添加新元素，鍵值爲2
   _map[5] = 2.18; // 添加新元素，鍵值爲5
   _map[2];        // 返回鍵值2對應的引用
   _map[10];       // 添加新元素，鍵值爲10
   _map.at(10);    // 返回鍵值10對應的引用
   _map.at(9);     // 鍵值9不存在，拋出異常

   return 0;
}

這兩種方法有以下不同，

[]	at()
操作符	成員函數
鍵值不存在時，添加新元素，因此[]可用於添加操作	不存在時拋出異常
返回引用	被重載爲兩種形式，可返回const 引用或者引用,可用於const &的形參

5. 添加新元素
   前邊提到，添加新元素可以通過操作符[]實現，也可以通過函數insert完成,時間複雜度log(n)。

#include <iostream>
#include <map>

int main()
{
   std::map<int, int> _map;

   _map.insert(std::pair<int, int>(3, 100));
   _map.insert(std::pair<int, int>(6, 200));
   
   return 0;
}

6. 刪除所有元素
   函數void clear();用於刪除所有元素，時間複雜度爲$O(N)$
7. 刪除指定元素

void erase (iterator position);
size_type erase (const key_type& k);
void erase (iterator first, iterator last);

以上三個成員函數分別通過迭代器，鍵，和迭代器範圍刪除元素，前兩個刪除單個元素，第三個刪除多個元素。時間複雜度分別爲$O(1)$,$O(log(n))$,$O(n)$

8. find

iterator find (const key_type& k);
const_iterator find (const key_type& k) const;

find通過鍵k查找對應元素，若從查找到則返回對應迭代器，若未找到則返回map::end,複雜度爲log(n)。

9. count

size_type count (const key_type& k) const;

返回鍵k對應的元素數,返回結果只可能爲0或1，複雜度爲log(n)。