C++ STL unordered_multimap容器精讲

C++ STL 标准库中,除了提供有 unordered_map 无序关联容器,还提供有和 unordered_map 容器非常相似的 unordered_multimap 无序关联容器。

和 unordered_map 容器一样,unordered_multimap 容器也以键值对的形式存储数据,且底层也采用哈希表结构存储各个键值对。两者唯一的不同之处在于,unordered_multimap 容器可以存储多个键相等的键值对,而 unordered_map 容器不行。

《深度剖析C++ STL无序容器底层原理》一文提到,无序容器中存储的各个键值对,都会哈希存到各个桶(本质为链表)中。而对于 unordered_multimap 容器来说,其存储的所有键值对中,键相等的键值对会被哈希到同一个桶中存储。

另外值得一提得是,STL 标准库中实现 unordered_multimap 容器的模板类并没有定义在以自己名称命名的头文件中,而是和 unordered_map 容器一样,定义在<unordered_map>头文件,且位于 std 命名空间中。因此,在使用 unordered_multimap 容器之前,程序中应包含如下 2 行代码:
#include <unordered_map>
using namespace std;

注意,第二行代码不是必需的,但如果不用,则后续程序中在使用此容器时,需手动注明 std 命名空间(强烈建议初学者使用)。

unordered_multimap 容器模板的定义如下所示:
template < class Key,      //键(key)的类型
           class T,        //值(value)的类型
           class Hash = hash<Key>,  //底层存储键值对时采用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,  //判断各个键值对的键相等的规则
           class Alloc = allocator< pair<const Key,T> > // 指定分配器对象的类型
           > class unordered_multimap;
以上 5 个参数中,必须显式给前 2 个参数传值,且除极个别的情况外,最多只使用前 4 个参数,它们各自的含义和功能如表 1 所示。

表 1 unordered_multimap 容器模板类的常用参数
参数 含义
<key,T> 前 2 个参数分别用于确定键值对中键和值的类型,也就是存储键值对的类型。
Hash = hash<Key> 用于指明容器在存储各个键值对时要使用的哈希函数,默认使用 STL 标准库提供的 hash<key> 哈希函数。注意,默认哈希函数只适用于基本数据类型(包括 string 类型),而不适用于自定义的结构体或者类。
Pred = equal_to<Key> unordered_multimap 容器可以存储多个键相等的键值对,而判断是否相等的规则,由此参数指定。默认情况下,使用 STL 标准库中提供的 equal_to<key> 规则,该规则仅支持可直接用 == 运算符做比较的数据类型。

注意,当 unordered_multimap 容器中存储键值对的键为自定义类型时,默认的哈希函数 hash<key> 以及比较函数 equal_to<key> 将不再适用,这种情况下,需要我们自定义适用的哈希函数和比较函数,并分别显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数。

关于给 unordered_multimap 容器自定义哈希函数和比较函数的方法,后续章节会做详细讲解。

创建C++ unordered_multimap容器的方法

常见的创建 unordered_map 容器的方法有以下几种。

1) 利用 unordered_multimap 容器类模板中的默认构造函数,可以创建空的 unordered_multimap 容器。比如:
std::unordered_multimap<std::string, std::string>myummap;

如果程序中已经默认指定了 std 命令空间,这里可以省略所有的 std::。

由此,就创建好了一个可存储 <string, string> 类型键值对的 unordered_multimap 容器,只不过当前容器是空的,即没有存储任何键值对。

2) 当然,在创建空 unordered_multimap 容器的基础上,可以完成初始化操作。比如:
unordered_multimap<string, string>myummap{
    {"Python教程","http://c.biancheng.net/python/"},
    {"Java教程","http://c.biancheng.net/java/"},
    {"Linux教程","http://c.biancheng.net/linux/"} };
通过此方法创建的 myummap 容器中,就包含有 3 个键值对。

3) 另外,unordered_multimap 模板中还提供有复制(拷贝)构造函数,可以实现在创建 unordered_multimap 容器的基础上,用另一 unordered_multimap 容器中的键值对为其初始化。

例如,在第二种方式创建好 myummap 容器的基础上,再创建并初始化一个 myummap2 容器:
unordered_multimap<string, string>myummap2(myummap);
由此,刚刚创建好的 myummap2 容器中,就包含有 myummap 容器中所有的键值对。

除此之外,C++ 11 标准中还向 unordered_multimap 模板类增加了移动构造函数,即以右值引用的方式将临时 unordered_multimap 容器中存储的所有键值对,全部复制给新建容器。例如:
//返回临时 unordered_multimap 容器的函数
std::unordered_multimap <std::string, std::string > retUmmap() {
    std::unordered_multimap<std::string, std::string>tempummap{
        {"Python教程","http://c.biancheng.net/python/"},
        {"Java教程","http://c.biancheng.net/java/"},
        {"Linux教程","http://c.biancheng.net/linux/"} };
    return tempummap;
}
//创建并初始化 myummap 容器
std::unordered_multimap<std::string, std::string> myummap(retummap());
注意,无论是调用复制构造函数还是拷贝构造函数,必须保证 2 个容器的类型完全相同。

4) 当然,如果不想全部拷贝,可以使用 unordered_multimap 类模板提供的迭代器,在现有 unordered_multimap 容器中选择部分区域内的键值对,为新建 unordered_multimap 容器初始化。例如:
//传入 2 个迭代器,
std::unordered_multimap<std::string, std::string> myummap2(++myummap.begin(), myummap.end());
通过此方式创建的 myummap2 容器,其内部就包含 myummap 容器中除第 1 个键值对外的所有其它键值对。

C++ unordered_multimap容器的成员方法

和 unordered_map 容器相比,unordered_multimap 容器的类模板中没有重载 [ ] 运算符,也没有提供 at() 成员方法,除此之外它们完全一致。

没有提供 [ ] 运算符和 at() 成员方法,意味着 unordered_multimap 容器无法通过指定键获取该键对应的值,因为该容器允许存储多个键相等的键值对,每个指定的键可能对应多个不同的值。

unordered_multimap 类模板提供的成员方法如表 2 所示。  

表 2 unordered_multimap类模板成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个键值对的正向迭代器。
end()  返回指向容器中最后一个键值对之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过在其基础上增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
cend() 和 end() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,即该方法返回的迭代器不能用于修改容器内存储的键值对。
empty() 若容器为空,则返回 true;否则 false。
size() 返回当前容器中存有键值对的个数。
max_size() 返回容器所能容纳键值对的最大个数,不同的操作系统,其返回值亦不相同。
find(key) 查找以 key 为键的键值对,如果找到,则返回一个指向该键值对的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个键值对之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)。
count(key) 在容器中查找以 key 键的键值对的个数。
equal_range(key) 返回一个 pair 对象,其包含 2 个迭代器,用于表明当前容器中键为 key 的键值对所在的范围。
emplace() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高。
emplace_hint() 向容器中添加新键值对,效率比 insert() 方法高。
insert()  向容器中添加新键值对。
erase() 删除指定键值对。
clear()  清空容器,即删除容器中存储的所有键值对。
swap() 交换 2 个 unordered_multimap 容器存储的键值对,前提是必须保证这 2 个容器的类型完全相等。
bucket_count() 返回当前容器底层存储键值对时,使用桶(一个线性链表代表一个桶)的数量。
max_bucket_count() 返回当前系统中,unordered_multimap 容器底层最多可以使用多少桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储键值对的数量。
bucket(key) 返回以 key 为键的键值对所在桶的编号。
load_factor() 返回 unordered_multimap 容器中当前的负载因子。负载因子,指的是的当前容器中存储键值对的数量(size())和使用桶数(bucket_count())的比值,即 load_factor() = size() / bucket_count()。
max_load_factor() 返回或者设置当前 unordered_multimap 容器的负载因子。
rehash(n) 将当前容器底层使用桶的数量设置为 n。
reserve() 将存储桶的数量(也就是 bucket_count() 方法的返回值)设置为至少容纳count个元(不超过最大负载因子)所需的数量,并重新整理容器。
hash_function() 返回当前容器使用的哈希函数对象。

注意,对于实现互换 2 个相同类型 unordered_multimap 容器的键值对,除了可以调用该容器模板类中提供的 swap() 成员方法外,STL 标准库还提供了同名的 swap() 非成员函数。


下面的样例演示了表 2 中部分成员方法的用法:
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
using namespace std;

int main()
{
    //创建空容器
    std::unordered_multimap<std::string, std::string> myummap;
    //向空容器中连续添加 5 个键值对
    myummap.emplace("Python教程", "http://c.biancheng.net/python/");
    myummap.emplace("STL教程", "http://c.biancheng.net/stl/");
    myummap.emplace("Java教程", "http://c.biancheng.net/java/");
    myummap.emplace("C教程", "http://c.biancheng.net");
    myummap.emplace("C教程", "http://c.biancheng.net/c/");
    //输出 muummap 容器存储键值对的个数
    cout << "myummmap size = " << myummap.size() << endl;
    //利用迭代器输出容器中存储的所有键值对
    for (auto iter = myummap.begin(); iter != myummap.end(); ++iter) {
        cout << iter->first << " " << iter->second << endl;
    }
    return 0;
}
程序执行结果为:

myummmap size = 5
Python教程 http://c.biancheng.net/python/
C教程 http://c.biancheng.net
C教程 http://c.biancheng.net/c/
STL教程 http://c.biancheng.net/stl/
Java教程 http://c.biancheng.net/java/

值得一提的是,unordered_multimap 模板提供的所有成员方法的用法,都和 unordered_map 提供的同名成员方法的用法完全相同(仅是调用者发生了改变),由于在讲解 unordered_map 容器时,已经对大部分成员方法的用法做了详细的讲解,后续不再做重复性地赘述。

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