【C + +】unordered_set 和 unordered_map 的用法、区别、性能全解析 - 实践

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专栏系列：C＋＋

❄️前言：

☀️一、unordered_set 和 unordered_map 简介

☀️二、 unordered_set 的基本用法

⭐2.1 基本操作

⭐2.2 解释

⭐2.3 unordered_set和set的区别

☀️三、unordered_map 的基本用法

⭐3.1 基本操作

⭐3.2 解释

⭐3.3 unordered_map和map的区别

☀️四、性能分析

☀️五、unordered_multimap和unordered_multiset

☀️六、本文小结

共勉:

❄️前言：

上一篇我们学习了基于红黑树封装的Map与Set，今天我们来学习一下unordered_set和unordered_map。

☀️一、unordered_set 和 unordered_map 简介

在 C++ 标准库中，unordered_set和 unordered_map 都属于无序关联容器。它们与set和 map 的主要区别在于，它们使用哈希表作为底层数据结构，因此它们的元素并不是按照某种顺序存储的，而是根据元素的哈希值存储。哈希表的查找效率通常是常数时间复杂度 O(1)，但最坏情况下是 O(n)。

unordered_set：是一个无序的集合容器，只存储唯一的元素，类似于set，但是内部没有元素的顺序。
unordered_map：是一个无序的映射容器，存储键值对，每个键唯一，类似于map，但是不保证按键的顺序排列。

更多详细内容可以参考文档：unordered_set 和unordered_map

☀️二、 unordered_set 的基本用法

unordered_set是一个存储唯一元素的集合，其中元素按哈希值进行存储。常用操作包括插入元素、删除元素、查找元素等。

unordered_set声明如下，Key就是unordered_set底层关键字的类型
unordered_set默认要求Key可以转化为整形，如果不支持或者有自己的需求的需要自己实现仿函数(将Key转化为整形)传给第二个模版参数。
unordered_set底层存储数据的内存都是从空间适配器中申请的，如果自己有需求实现内存池，要传给第四个模版参数
一般我们在使用的时候不需要传后三个模版参数。
unordered_set底层是使用哈希桶实现的，查找的效率为O(1)；但是数据不再有序，所以取名为unordered_set。

⭐2.1 基本操作

#include 
#include 
using namespace std;
void test_unordered_set()
{// 创建一个 unordered_setunordered_set uset;// 插入元素uset.insert(10);uset.insert(20);uset.insert(30);uset.insert(40);// 输出所有元素cout << "unordered_set contains: ";for (const auto& e : uset) {cout << e << " ";}cout << endl;// 查找if (uset.find(20) != uset.end())cout << "Found 20 in the unordered_set!" << endl;elsecout << "20 not found in the unordered_set!" << endl;// 删除元素uset.erase(30);cout << "After erasing 30, unordered_set contains: ";for (const auto& e : uset)cout << e << " ";cout << endl;// 判断是否为空if (uset.empty())cout << "The unordered_set is empty." << endl;elsecout << "The unordered_set is not empty." << endl;
}
int main() {test_unordered_set();return 0;
}

运行结果：

unordered_set contains: 10 20 30 40
Found 20 in the unordered_set!
After erasing 30, unordered_set contains: 10 20 40
The unordered_set is not empty.

⭐2.2 解释

insert()：向 unordered_set中插入元素。插入的元素是唯一的，如果尝试插入重复元素，unordered_set 会忽略它。
find()：用于查找元素。如果找到，返回指向该元素的迭代器；否则返回 end()。
erase()：用于删除指定元素。
empty()：检查集合是否为空。

这里对于其他的函数，就需要去了解它底层的哈希桶结构了，在实现哈希结构时再去深入探究。

⭐2.3 unordered_set和set的区别

通过查看文档已经使用unoedered_set，我们可以发现unordered_set和set支持的增删查改是一模一样的，我们现在就来看一下它们有什么不同：

首先set的底层是红黑树，而unordered_set底层是哈希表。
其次它们对于key的要求不同，set要求key支持比较；而unoedered_set要求key支持转化成整型且要支持比较。
然后就是迭代器的不同，set的iterator是双向迭代器，而unordered_set的iterator是单向迭代器；set底层是红黑树，set的迭代器是有序+去重的；而unoedered_set底层是哈希桶，unoedered_set是无序+去重的。
最后就是性能上的差异，对于大多数场景下unoedered_set增删查改的效率要高于set的；（红黑树的效率是O(log N)，哈希表的效率是O(1)。

至于其中细节上的不同，要了解了unordered_set的底层哈希表，才能真正理解。

☀️三、unordered_map 的基本用法

unordered_map是一个哈希表实现的键值对容器，类似于map，但是它的元素不按键排序。

unordered_map和unordered_set都是用哈希表进行封装实现的，这里就不过多描述了，和unordered_set十分相似。

⭐3.1 基本操作

#include 
#include 
using namespace std;
void test_unordered_map()
{//创建一个 unordered_mapunordered_map umap;//和map的operator[]一样，可以用来插入数据umap["apple"] = 2;umap["banana"] = 5;umap["orange"] = 3;//输出cout << "unordered_map contains:" << endl;for (const auto& pair : umap) {cout << pair.first << ": " << pair.second << endl;}//查找auto it = umap.find("banana");if (it != umap.end())cout << "Found 'banana' with value " << it->second << endl;elsecout << "'banana' not found in the unordered_map!" << endl;//删除umap.erase("orange");cout << "After erasing 'orange', unordered_map contains:" << endl;for (const auto& pair : umap)cout << pair.first << ": " << pair.second << endl;// 检查是否存在某个keyif (umap.count("apple") > 0)std::cout << "'apple' exists in the unordered_map." << std::endl;
}
int main() {test_unordered_map();return 0;
}

运行结果：

unordered_map contains:
apple: 2
banana: 5
orange: 3
Found 'banana' with value 5
After erasing 'orange', unordered_map contains:
apple: 2
banana: 5
"apple" exists in the unordered_map.

⭐3.2 解释

插入元素：unordered_map 支持通过下标（[]）或者insert()插入元素。若键已存在，通过下标访问时会更新其对应的值。
find()：查找给定键是否存在，返回指向该元素的迭代器，如果元素不存在，返回 end()。

erase()：删除指定键值对。
count()：检查容器中是否存在指定的键。

⭐3.3 unordered_map和map的区别

这里set和map都是使用红黑树封装实现的，而unordered_set和unordered_map都是使用哈希表封装实现的。

unordered_map和map的区别与unordered_set和set的区别是大差不差的。

首先map的底层是红黑树，而unordered_map底层是哈希表。
其次它们对于key的要求不同，map要求key支持比较；而unoedered_map要求key支持转化成整型且要支持比较。
然后就是迭代器的不同，map的iterator是双向迭代器，而unordered_map的iterator是单向迭代器；map底层是红黑树，map的迭代器是有序+去重的；而unoedered_map底层是哈希桶，unoedered_map是无序+去重的。
最后就是性能上的差异，对于大多数场景下unoedered_map增删查改的效率要高于map的；（红黑树的效率是O(log N)，哈希表的效率是O(1)。

☀️四、性能分析

这一部分，我们要学习底层哈希表以后才会深入理解；这里简单说一下

底层的哈希表使用的是哈希桶结构（就是顺序表中存储链表，这样可以避免冲突的问题）。

unordered_set 和unordered_map的查找、插入和删除操作平均时间复杂度为O(1)。不过，由于哈希冲突的存在，最坏情况下时间复杂度会退化为O(n)，即所有元素都映射到同一个哈希桶中。

哈希冲突：为了减少哈希冲突，C++ 中的 unordered_set和unordered_map 使用了哈希表和动态扩展机制，使得哈希表的负载因子保持在合理范围内，避免性能急剧下降。
负载因子：容器的负载因子是元素数量与桶数量的比值，当负载因子达到某个阈值时，容器会自动增加桶的数量，从而保持查找效率。

☀️五、unordered_multimap和unordered_multiset

unordered_multimap/unordered_multiset和multimap/multiset功能完全类似，支持key冗余

☀️六、本文小结

类别	unordered_set	unordered_map
简介	无序集合容器，存储唯一元素，底层为哈希表，元素无序	无序映射容器，存储键值对（键唯一），底层为哈希表，元素无序
基本操作	- 插入：`insert()`（忽略重复元素）- 查找：`find()`（返回迭代器，未找到返回`end()`）- 删除：`erase()`- 判空：`empty()`	- 插入：`[]`（键存在则更新值）、`insert()`- 查找：`find()`（返回迭代器）- 删除：`erase()`- 检查键存在：`count()`
与对应有序容器区别	和`set`的区别：1. 底层：哈希表 vs 红黑树2. 键要求：支持转为整型且可比较 vs 仅需支持比较3. 迭代器：单向 vs 双向；元素无序 vs 有序4. 性能：增删查改平均 O (1) vs O (log N)	和`map`的区别：1. 底层：哈希表 vs 红黑树2. 键要求：支持转为整型且可比较 vs 仅需支持比较3. 迭代器：单向 vs 双向；元素无序 vs 有序4. 性能：增删查改平均 O (1) vs O (log N)
性能特性	平均时间复杂度 O (1)（查找、插入、删除），最坏 O (n)（哈希冲突严重时）	平均时间复杂度 O (1)（查找、插入、删除），最坏 O (n)（哈希冲突严重时）
相关扩展容器	`unordered_multiset`：支持键冗余，功能类似`multiset`	`unordered_multimap`：支持键冗余，功能类似`multimap`