C++ 编程基础：深入理解 pair（键值对） 和 unordered_map（无序映射）

在 C++ 标准库中，pair（键值对）和 unordered_map（无序映射）是两种常用的数据结构，它们广泛应用于各种编程场景。pair 用于存储两个相关联的值，而 unordered_map 通过哈希表来存储键值对，并提供高效的查找操作。本文将详细介绍这两种数据结构的定义、应用场景、核心原理和实现方法，并通过代码示例来说明它们的具体用法。

一、概述

pair（键值对） 是 C++ 中的一种简单结构，用于将两个相关联的值绑定在一起。常用于需要将两个数据成对存储的场景，如坐标对（x, y），或需要保存键值对时使用的 unordered_map 之类的数据结构。

unordered_map（无序映射） 则是一种基于哈希表的键值对容器，能够通过键快速查找对应的值。在 C++ 中，unordered_map 允许以 O(1) 的时间复杂度进行查找、插入和删除操作，适用于大规模数据的高效处理。

二、pair（键值对）详解

2.1 pair 的定义

pair 是 C++ 标准库中的模板类，用于将两个相关联的值存储在一起。它包含两个成员变量，first 和 second，分别表示这两个元素。通过 pair，我们可以将两个不同类型的值结合在一起，形成一个简单的键值对结构。

定义：

template <class T1, class T2>
struct pair {
    T1 first;  // 第一个值
    T2 second; // 第二个值
};

2.2 应用场景

pair 广泛用于需要将两个数据关联存储的场景。它特别适用于以下情况：

• 关联数据：在某些情况下，我们需要将两个相关数据存储在一起，例如一个键和它对应的值。pair 提供了一种简单的方式来实现这一点。
• 返回多个值：在函数中，pair 也可以用作返回多个值的方式，因为 C++ 函数一次只能返回一个对象。使用 pair 可以让函数同时返回两个相关联的值。

尽管 pair 可以在某些数据结构中使用（例如 map 或 unordered_map），但这里强调的是它自身的结构特性，不应与这些数据结构混淆。

2.3 示例代码

以下代码展示了如何使用 pair 存储两个相关联的数据（一个整数和一个字符串），并输出它们的值。

#include <iostream>
#include <utility> // 引入pair的头文件
using namespace std;

int main() {
    pair<int, string> p; // 定义一个pair，类型为int和string
    p.first = 1;         // 设置第一个值
    p.second = "apple";  // 设置第二个值

    cout << "第一个值：" << p.first << endl;   // 输出第一个值
    cout << "第二个值：" << p.second << endl;  // 输出第二个值

    return 0;
}

解释：在这个例子中，pair 被用来存储一个整数和一个字符串，通过 p.first 访问第一个元素，p.second 访问第二个元素。程序输出：

第一个值：1
第二个值：apple

2.4 注意事项

• 类型限制：pair 的两个元素可以是不同的类型，但每个元素的类型必须在声明时确定。即使 pair 可以存储任意类型的组合，但设计时应考虑到使用场景。
• 用途有限：pair 仅能存储两个值。如果需要存储多个相关值，建议使用 tuple（元组），它允许存储任意数量的元素。

三、unordered_map（无序映射）详解

3.1 unordered_map 的定义

unordered_map 是 C++ 标准库中基于哈希表的容器，用于存储键值对。它的查找、插入和删除操作的平均时间复杂度为 O(1)，因为它使用哈希函数来快速定位键值对。

定义：

template <class Key, class T>
class unordered_map {
    // 存储 Key 和 T 类型的键值对
};

3.2 应用场景

unordered_map（无序映射）非常适用于需要通过键快速查找值的场景，例如频率统计、数据分类等。它常用于实现哈希表相关的算法，如词频统计、缓存系统等。

3.3 示例代码

以下代码展示了如何使用 unordered_map 存储多个键值对，并查找某个键是否存在。

#include <iostream>
#include <unordered_map> // 引入unordered_map的头文件
using namespace std;

int main() {
    // 定义一个unordered_map，键为int，值为string
    unordered_map<int, string> umap;

    // 插入键值对
    umap[1] = "apple";
    umap[2] = "banana";
    umap[3] = "cherry";

    // 查找键为2的值
    if (umap.find(2) != umap.end()) {
        cout << "键为2的值是：" << umap.at(2) << endl; // 输出：banana
    }

    // 遍历unordered_map
    for (const auto& entry : umap) {
        cout << "键：" << entry.first << ", 值：" << entry.second << endl;
    }

    return 0;
}

解释：在这个例子中，使用 unordered_map 存储了三个键值对。程序首先通过 find 方法查找键 2 对应的值，若找到则输出其值。随后，程序遍历 unordered_map 并输出所有键值对。输出如下：

键为2的值是：banana
键：1, 值：apple
键：2, 值：banana
键：3, 值：cherry

3.4 注意事项

• 哈希冲突：由于 unordered_map 基于哈希表，可能会发生哈希冲突（即不同的键计算出的哈希值相同）。在这种情况下，unordered_map 通过链表等方式处理冲突。
• 键类型要求：键必须能够通过哈希函数计算出哈希值，因此通常要求键类型满足以下条件：
  • 支持相等比较：键类型必须实现 == 操作符，以便在查找、插入和删除时比较键的相等性。
  • 可哈希：键类型需要支持哈希函数（如 std::hash），这通常意味着自定义类型需要提供哈希函数的重载，以便能够在 unordered_map 中正确工作。

四、pair 和 unordered_map 的联系（★可直接看表格对比）

在 C++ 中，unordered_map 内部是通过 pair 来存储键值对的。每个 unordered_map 元素实际上是一个 pair<const Key, T>，其中 Key 是键，T 是值。

4.1 对比表格

特性	pair	unordered_map
存储结构	仅存储两个相关值	存储键值对，基于哈希表
查找效率	不支持直接查找	平均 O(1) 时间复杂度查找
用途	简单关联数据存储	高效键值对存储与查找
元素个数	仅可存储两个元素	可存储多个键值对
应用场景	坐标、返回多个值的函数	频率统计、数据分类等

4.2 示例：unordered_map 和 pair 的结合使用

以下代码展示了如何将 unordered_map 中的键值对转存到一个 vector<pair> 中，并对其进行排序。

#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

// 比较函数，用于按值的大小排序
bool cmp(const pair<int, string>& a, const pair<int, string>& b) {
    return a.second < b.second; // 按值从小到大排序
}

int main() {
    unordered_map<int, string> umap;
    umap[1] = "banana";
    umap[2] = "apple";
    umap[3] = "cherry";

    // 将unordered_map转换为vector<pair>
    vector<pair<int, string>> vec(umap.begin(), umap.end());

    // 按照值进行排序
    sort(vec.begin(), vec.end(), cmp);

    // 输出排序后的键值对
    for (const auto& pair : vec) {
        cout << "键：" << pair.first << ", 值：" << pair.second << endl;
    }

    return 0;
}

解释：在这个例子中，首先将 unordered_map 中的键值对存入 vector<pair>，然后使用自定义的比较函数按值对键值对进行排序。程序输出按值排序后的键值对：

键：2, 值：apple
键：1, 值：banana
键：3, 值：cherry

五、结论

pair 和 unordered_map 是 C++ 标准库中用于存储和操作键值对的两种重要数据结构。pair 提供了简单的成对元素存储机制，而 unordered_map 则提供了高效的键值映射。两者经常结合使用，unordered_map 通过 pair 存储键值对，使得键值操作更加灵活和高效。

对于初学者，理解这两种数据结构的概念及其应用场景，可以帮助在实际编程中更好地管理和处理数据。通过本文的示例代码，你可以直观地理解它们的实现和作用，并在需要时灵活运用。

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