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C++ STL unordered_set容器完全攻略

我们知道,C++ 11 为 STL 标准库增添了 4 种无序(哈希)容器,前面已经对 unordered_map 和 unordered_multimap 容器做了详细的介绍,本节再讲解一种无序容器,即 unordered_set 容器。

unordered_set 容器,可直译为“无序 set 容器”,即 unordered_set 容器和 set 容器很像,唯一的区别就在于 set 容器会自行对存储的数据进行排序,而 unordered_set 容器不会。

总的来说,unordered_set 容器具有以下几个特性:
  1. 不再以键值对的形式存储数据,而是直接存储数据的值;
  2. 容器内部存储的各个元素的值都互不相等,且不能被修改。
  3. 不会对内部存储的数据进行排序(这和该容器底层采用哈希表结构存储数据有关,可阅读《C++ STL无序容器底层实现原理》一文做详细了解);

对于 unordered_set 容器不以键值对的形式存储数据,读者也可以这样认为,即 unordered_set 存储的都是键和值相等的键值对,为了节省存储空间,该类容器在实际存储时选择只存储每个键值对的值。

另外,实现 unordered_set 容器的模板类定义在<unordered_set>头文件,并位于 std 命名空间中。这意味着,如果程序中需要使用该类型容器,则首先应该包含如下代码:
#include <unordered_set>
using namespace std;

注意,第二行代码不是必需的,但如果不用,则程序中只要用到该容器时,必须手动注明 std 命名空间(强烈建议初学者使用)。

unordered_set 容器的类模板定义如下:
template < class Key,            //容器中存储元素的类型
           class Hash = hash<Key>,    //确定元素存储位置所用的哈希函数
           class Pred = equal_to<Key>,   //判断各个元素是否相等所用的函数
           class Alloc = allocator<Key>   //指定分配器对象的类型
           > class unordered_set;
可以看到,以上 4 个参数中,只有第一个参数没有默认值,这意味着如果我们想创建一个 unordered_set 容器,至少需要手动传递 1 个参数。事实上,在 99% 的实际场景中最多只需要使用前 3 个参数(各自含义如表 1 所示),最后一个参数保持默认值即可。

表 1 unordered_set模板类定义
参数 含义
Key 确定容器存储元素的类型,如果读者将 unordered_set 看做是存储键和值相同的键值对的容器,则此参数则用于确定各个键值对的键和值的类型,因为它们是完全相同的,因此一定是同一数据类型的数据。
Hash = hash<Key> 指定 unordered_set 容器底层存储各个元素时,所使用的哈希函数。需要注意的是,默认哈希函数 hash<Key> 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_set 容器内部不能存储相等的元素,而衡量 2 个元素是否相等的标准,取决于该参数指定的函数。 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,如果 unordered_set 容器中存储的元素为自定义的数据类型,则默认的哈希函数 hash<key> 以及比较函数 equal_to<key> 将不再适用,只能自己设计适用该类型的哈希函数和比较函数,并显式传递给 Hash 参数和 Pred 参数。至于如何实现自定义,后续章节会做详细讲解。

创建C++ unordered_set容器

前面介绍了如何创建 unordered_map 和 unordered_multimap 容器,值得一提的是,创建它们的所有方式完全适用于 unordereded_set 容器。不过,考虑到一些读者可能尚未学习其它无序容器,因此这里还是讲解一下创建 unordered_set 容器的几种方法。

1) 通过调用 unordered_set 模板类的默认构造函数,可以创建空的 unordered_set 容器。比如:
std::unordered_set<std::string> uset;

如果程序已经引入了 std 命名空间,这里可以省略所有的 std::。

由此,就创建好了一个可存储 string 类型值的 unordered_set 容器,该容器底层采用默认的哈希函数 hash<Key> 和比较函数 equal_to<Key>。

2) 当然,在创建 unordered_set 容器的同时,可以完成初始化操作。比如:
std::unordered_set<std::string> uset{ "http://c.biancheng.net/c/",
                                      "http://c.biancheng.net/java/",
                                      "http://c.biancheng.net/linux/" };
通过此方法创建的 uset 容器中,就包含有 3 个 string 类型元素。

3) 还可以调用 unordered_set 模板中提供的复制(拷贝)构造函数,将现有 unordered_set 容器中存储的元素全部用于为新建 unordered_set 容器初始化。

例如,在第二种方式创建好 uset 容器的基础上,再创建并初始化一个 uset2 容器:
std::unordered_set<std::string> uset2(uset);
由此,umap2 容器中就包含有 umap 容器中所有的元素。

除此之外,C++ 11 标准中还向 unordered_set 模板类增加了移动构造函数,即以右值引用的方式,利用临时 unordered_set 容器中存储的所有元素,给新建容器初始化。例如:
//返回临时 unordered_set 容器的函数
std::unordered_set <std::string> retuset() {
    std::unordered_set<std::string> tempuset{ "http://c.biancheng.net/c/",
                                              "http://c.biancheng.net/java/",
                                              "http://c.biancheng.net/linux/" };
    return tempuset;
}
//调用移动构造函数,创建 uset 容器
std::unordered_set<std::string> uset(retuset());

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_set 类模板提供的迭代器,在现有 unordered_set 容器中选择部分区域内的元素,为新建 unordered_set 容器初始化。例如:
//传入 2 个迭代器,
std::unordered_set<std::string> uset2(++uset.begin(),uset.end());
通过此方式创建的 uset2 容器,其内部就包含 uset 容器中除第 1 个元素外的所有其它元素。

C++ unordered_set容器的成员方法

unordered_set 类模板中,提供了如表 2 所示的成员方法。

表 2 unordered_set 类模板成员方法
成员方法 功能
begin() 返回指向容器中第一个元素的正向迭代器。
end(); 返回指向容器中最后一个元素之后位置的正向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过其返回的是 const 类型的正向迭代器。
cend() 和 end() 功能相同,只不过其返回的是 const 类型的正向迭代器。
empty() 若容器为空,则返回 true;否则 false。
size() 返回当前容器中存有元素的个数。
max_size() 返回容器所能容纳元素的最大个数,不同的操作系统,其返回值亦不相同。
find(key) 查找以值为 key 的元素,如果找到,则返回一个指向该元素的正向迭代器;反之,则返回一个指向容器中最后一个元素之后位置的迭代器(如果 end() 方法返回的迭代器)。
count(key) 在容器中查找值为 key 的元素的个数。
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值为 key 的元素所在的范围。
emplace() 向容器中添加新元素,效率比 insert() 方法高。
emplace_hint() 向容器中添加新元素,效率比 insert() 方法高。
insert() 向容器中添加新元素。
erase() 删除指定元素。
clear() 清空容器,即删除容器中存储的所有元素。
swap() 交换 2 个 unordered_map 容器存储的元素,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元素时,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_map 容器底层最多可以使用多少桶。
bucket_size(n) 返回第 n 个桶中存储元素的数量。
bucket(key) 返回值为 key 的元素所在桶的编号。
load_factor() 返回 unordered_map 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元素的数量(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_map 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,此容器模板类中没有重载 [ ] 运算符,也没有提供 at() 成员方法。不仅如此,由于 unordered_set 容器内部存储的元素值不能被修改,因此无论使用那个迭代器方法获得的迭代器,都不能用于修改容器中元素的值。

另外,对于实现互换 2 个相同类型 unordered_set 容器的所有元素,除了调用表 2 中的 swap() 成员方法外,还可以使用 STL 标准库提供的 swap() 非成员函数,它们具有相同的名称,用法也相同(都只需要传入 2 个参数即可),仅是调用方式上有差别。

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_set>
using namespace std;

int main()
{
    //创建一个空的unordered_set容器
    std::unordered_set<std::string> uset;
    //给 uset 容器添加数据
    uset.emplace("http://c.biancheng.net/java/");
    uset.emplace("http://c.biancheng.net/c/");
    uset.emplace("http://c.biancheng.net/python/");
    //查看当前 uset 容器存储元素的个数
    cout << "uset size = " << uset.size() << endl;
    //遍历输出 uset 容器存储的所有元素
    for (auto iter = uset.begin(); iter != uset.end(); ++iter) {
        cout << *iter << endl;
    }
    return 0;
}
程序执行结果为:

uset size = 3
http://c.biancheng.net/java/
http://c.biancheng.net/c/
http://c.biancheng.net/python/

注意,表 2 中绝大多数成员方法的用法,都和 unordered_map 容器提供的同名成员方法相同,读者可翻阅前面的文章做详细了解,当然也可以到 C++
STL标准库官网
查询。

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