std::unordered_map(C++)

1. 概述

• 定义：std::unordered_map 是一个基于哈希表（hash table）实现的键值对容器，提供平均 O(1) 的查找、插入和删除性能。

• 特点：

  • 无序：元素按哈希值分布在若干“桶”（bucket）中，不保证遍历顺序。

  • 唯一键：同一个键最多只能出现一次；如果插入已存在的键，默认不覆盖（可用 operator[] 或 at 修改）。

  • 可自定义：支持自定义哈希函数和键相等比较器，也可指定内存分配器。

2. 内部实现

1. 哈希桶结构

   • 容器内部维护一组“桶”，每个桶是一个链表（或其他冲突解决结构）。

   • 元素根据 Hash(key) % bucket_count 落入对应桶中。

2. 装载因子（load factor）

   • 定义为 size() / bucket_count，表示平均每个桶的元素数。

   • 当装载因子超过 max_load_factor() 时，容器会自动进行 rehash（扩容并重新分配桶）。

3. 再哈希（rehash）

   • 调用 rehash(n) 会将桶数调整为 ≥ n，并将所有元素重新分布。

   • reserve(n) 则是以元素数 n 为基准，确保 bucket_count ≥ n / max_load_factor()。

3. 性能特征

操作	平均复杂度	最坏情况复杂度	备注
find / operator[]	O(1)	O(n)	取决于哈希冲突；若所有元素落在同一桶，退化为链表查找
insert / emplace	O(1)	O(n)	同上，且可能触发一次 rehash（O(n)）
erase(key)	O(1)	O(n)	同上
clear	O(n)	O(n)
遍历（iteration）	O(n + bucket_count)	O(n + bucket_count)	需跳过空桶

• 空间开销：

  • 每个桶需存储一个指针或链表头；元素节点通常包含键、值、下一个节点指针，以及可能的桶索引/哈希缓存。

• 哈希函数好坏：

  • 高质量的哈希函数能显著降低冲突，提高稳定性；如对自定义类型可使用 std::hash 或第三方的高性能哈希。

4. 常用 API

// 构造与析构
std::unordered_map<Key, T> m1;                              // 默认构造
std::unordered_map<Key, T> m2(100);                         // 指定初始桶数
std::unordered_map<Key, T> m3(100, MyHash{}, MyEqual{});    // 指定哈希与比较
// 大小与容量
bool empty() const;
size_t size() const;
size_t bucket_count() const;
float load_factor() const;
float max_load_factor() const;
void rehash(size_t newBucketCount);
void reserve(size_t count);  // 保证能插入 count 个元素而不触发 rehash
// 元素访问
T& operator[](const Key& key);       // 若不存在则插入默认构造的 T
T& at(const Key& key);               // 若不存在抛出 std::out_of_range
// 插入
std::pair<iterator, bool> insert(const value_type& kv);
template< class... Args >
std::pair<iterator, bool> emplace(Args&&... args);
// 查找与删除
iterator find(const Key& key);
size_t erase(const Key& key);
iterator erase(iterator pos);
void clear();
// 遍历
iterator begin() noexcept;
iterator end() noexcept;
const_iterator cbegin() const noexcept;
const_iterator cend() const noexcept;
// 哈希与比较器查询
size_t bucket(const Key& key) const;
size_t bucket_size(size_t n) const;
Hash hash_function() const;
KeyEqual key_eq() const;

5. 使用示例

#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 1. 创建并插入
    std::unordered_map<std::string, int> wordCount;
    wordCount["hello"] = 1;                // operator[] 插入或修改
    wordCount.insert({"world", 2});         // insert 不会覆盖已存在键
    wordCount.emplace("foo", 3);            // 完美转发构造

    // 2. 查找
    auto it = wordCount.find("world");
    if (it != wordCount.end()) {
        std::cout << it->first << ": " << it->second << "\n";
    }

    // 3. 遍历
    for (auto& kv : wordCount) {
        std::cout << kv.first << " => " << kv.second << "\n";
    }

    // 4. 保证容量
    wordCount.reserve(1000); // 预计要插入 1000 条记录，减少 rehash 次数

    // 5. 统计装载因子
    std::cout << "load factor: " << wordCount.load_factor() << "\n";

    return 0;
}

6. 自定义哈希与相等比较

当键类型为自定义结构体时，需要提供 Hash 和 KeyEqual：

struct Point { int x, y; };

// 自定义哈希：结合 x,y 的值
struct PointHash {
    size_t operator()(Point const& p) const noexcept {
        // 经典做法：位移与异或
        return std::hash<int>()(p.x) ^ (std::hash<int>()(p.y) << 1);
    }
};

// 自定义相等比较
struct PointEqual {
    bool operator()(Point const& a, Point const& b) const noexcept {
        return a.x == b.x && a.y == b.y;
    }
};

std::unordered_map<Point, std::string, PointHash, PointEqual> mp;

7. 注意事项与优化

• 避免频繁 rehash

  • 使用 reserve() 预先分配足够桶数，比频繁自动扩容更高效。

• 迭代顺序不稳定

  • 容器内部槽位和元素分布会随 rehash 而变化，不要依赖遍历顺序。

• 哈希攻击

  • 在对抗恶意输入的场景中，默认 std::hash 可能遭受冲突攻击，可考虑使用带随机种子的哈希或第三方库（如 CityHash、MurmurHash）。

• 线程安全

  • 读写同一容器需加锁；C++20 起可在不同线程同时读不同桶，但标准未强制保证，生产环境仍建议加互斥。

• 内存占用

  • 哈希表相较于红黑树（std::map）通常占用更多内存；应在性能 vs. 空间之间权衡。

8. 使用建议

• 需要

  • 快速查找/插入/删除 且无需有序遍历时，首选 std::unordered_map。

  • 容器大小可预估，且希望通过 reserve() 控制 rehash 时机。

• 不需要

  • 保持元素有序或按键排序输出时，应选用 std::map。

  • 需要对容器做范围算法（如二分查找）或有序区间操作时。

9. emplace和insert异同

相同点

• 功能

  • 都是在 std::unordered_map 中插入元素（键值对）。

  • 若指定键已存在，插入操作不生效，都会返回相同的迭代器和 false。

• 返回值

  • std::pair——iterator 指向新插入或已有元素的位置，bool 表示此次调用是否实际插入了新元素。

不同点

特性	insert	emplace
接口签名	多重重载，典型如 insert(const value_type&)、insert(value_type&&)、insert(initializer_list)	template emplace(Args&&… args)
参数	需要先构造好 value_type（即 pair）再传入，可能多一次拷贝/移动	直接将参数完美转发（perfect‑forward）给底层元素构造函数，就地构造，避免不必要的临时对象
构造方式	拷贝 或 移动 已有的 pair	原地（in‑place）调用 pair 的构造函数
效率	如果要构造 pair，就至少一次临时对象（拷贝/移动）	零或更少的拷贝/移动，适合复杂类型或昂贵拷贝的场景
复杂构造支持	只能插入已经准备好的 pair	支持 piecewise_construct，可以分别传递给 key 和 value 的构造参数

例子对比

std::unordered_map<std::string, std::vector<int>> m;

// 1. insert：需要先构造一个 pair，再插入
std::pair<const std::string, std::vector<int>> p("key", {1,2,3});
auto res1 = m.insert(p);                     // 拷贝 p
auto res2 = m.insert({ "key2", {4,5,6} });    // 构造临时 pair，再移动或拷贝

// 2. emplace：直接传递构造参数，就地构造
auto res3 = m.emplace("key3", std::vector<int>{7,8,9});
// 等价于：在内部执行 pair("key3", vector{7,8,9}) 的就地构造，无额外拷贝

// 3. emplace + piecewise_construct（针对 key 和 value 各自参数包更复杂的场景）
struct Key { Key(int,a){} };
struct Val { Val(double,b){} };

std::unordered_map<Key, Val> m2;
m2.emplace(
    std::piecewise_construct,
    std::forward_as_tuple(123),      // Key(int)
    std::forward_as_tuple(3.14)      // Val(double)
);

何时优先使用哪种？

• 简单场景：插入已有 pair 或者初学者，为了可读性，用 insert 也很直观。

• 性能敏感或避免临时：当 T 构造/拷贝/移动开销较大时，优先 emplace。

• 复杂构造：需要传多个参数给 key 或 value 的构造函数时，emplace（尤其配合 piecewise_construct）更加灵活。