map和unordered_map區別及其優缺點

前言

C++的STL庫實現有兩種字典結構，即map和unordered_map（也就是通俗意義上的hash map）。這兩者雖然都稱為Map，但其實它們的底層實現原理具有很大差距，因此它們的使用場景也不盡相同。

今天特意研究了一下，下面從幾個方面具體談談它們的差別及其具體的使用場景。

介紹

字典類型又被稱為關聯數組（associative array），關聯數組和正常數組的使用方法是相似的，但其不同之處在於字典結構的下標不必是整數，而可以是任意類型。

map和unordered_map這兩種字典結構都是通過鍵值對（key-value）存儲數據的，鍵（key）和值（value）的數據類型可以不同。但是字典中的key只能存在一個，即必須唯一（如果不唯一，則被稱為multimap）。上述這點保證了值（value）可以直接通過鍵（key）來訪問，這便是字典結構最為便捷之處。

區別

1. 使用方法不同

使用方法是最直觀的區別，這兩種結構雖然都在STL庫中，但是所使用的頭文件不同。

• map：#include
• unordered_map：#include <unordered_map>

2. 底層實現的數據結構不同

數據結構其實是兩種類型最為根本的區別，其他的不同都是這種區別產生的結果。

• map是基於紅黑樹結構實現的。紅黑樹是一種平衡二叉查找樹的變體結構，它的左右子樹的高度差有可能會大於 1。所以紅黑樹不是嚴格意義上的平衡二叉樹AVL，但對之進行平衡的代價相對於AVL較低， 其平均統計性能要強於AVL。紅黑樹具有自動排序的功能，因此它使得map也具有按鍵（key）排序的功能，因此在map中的元素排列都是有序的。在map中，紅黑樹的每個節點就代表一個元素，因此實現對map的增刪改查，也就是相當於對紅黑樹的操作。對於這些操作的復雜度都為O(logn)，復雜度即為紅黑樹的高度。
• unordered_map是基於哈希表（也叫散列表）實現的。散列表是根據關鍵碼值而直接進行訪問的數據結構。也就是說，它通過把關鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄，以加快查找的速度。這個映射函數叫做散列函數，存放記錄的數組叫做散列表。散列表使得unordered_map的插入和查詢速度接近於O(1)（在沒有沖突的情況下），但是其內部元素的排列順序是無序的。

3. 元素排列順序不同

在2中已經解釋過了，現在單獨列出該點不同之處。

• map：基於紅黑樹，元素有序存儲
• unordered_map：基於散列表，元素無序存儲

4. 插入和查詢的時間復雜度不同

這點也已經在2中已經解釋過了，現在單獨列出該點不同。

• map：基於紅黑樹，復雜度與樹高相同，即O(logn)。
• unordered_map：基於散列表，復雜度依賴於散列函數產生的沖突多少，但大多數情況下其復雜度接近於O(1)。

5. 效率及其穩定性不同

這點實際上也是由底層的數據結構決定的。

1. 存儲空間：unordered_map的散列空間會存在部分未被使用的位置，所以其內存效率不是100%的。而map的紅黑樹的內存效率接近於100%。
2. 查找性能的穩定性：map的查找類似於平衡二叉樹的查找，其性能十分穩定。例如在1M數據中查找一個元素，需要多少次比較呢？20次。map的查找次數幾乎與存儲數據的分布與大小無關。而unordered_map依賴於散列表，如果哈希函數映射的關鍵碼出現的沖突過多，則最壞時間復雜度可以達到是O(n)。因此unordered_map的查找次數是與存儲數據的分布與大小有密切關系的，它的效率是不穩定的。

優缺點及適用場景

1. map：
   • 優點：
     • map元素有序（這是map最大的優點，其元素的有序性在很多應用中都會簡化很多的操作）；
     • 其紅黑樹的結構使得map的很多操作都可在O(logn)下完成；
     • map的各項性能較為穩定，與元素插入順序無關；
     • map支持范圍查找。
   • 缺點：
     • 占用的空間大：紅黑樹的每一個節點需要保存其父節點位置、孩子節點位置及紅/黑性質，因此每一個節點占用空間大。
     • 查詢平均時間不如unordered_map。
   • 適用場景：
     • 元素需要有序；
     • 對於單次查詢時間較為敏感，必須保持查詢性能的穩定性，比如實時應用等等。
2. unordered_map
   • 優點：
     • 查詢速度快，平均性能接近於常數時間O(1)；
   • 缺點：
     • 元素無序；
     • unordered_map相對於map空間占用更大，且其利用率不高；
     • 查詢性能不太穩定，最壞時間復雜度可達到O(n)。
   • 適用場景：
     • 要求查找速率快，且對單次查詢性能要求不敏感。

結語

map和unordered_map並無好壞之分，它們都有各自應用的場景。它們之間的區別歸根結底來源於使用的數據結構不同。

最后一句話，總結一下它們的適用場景：
在需要元素有序性或者對單次查詢性能要求較為敏感時，請使用map，其余情況下應使用unordered_map。
因此在需要使用字典結構進行算法編程的大部分情況下，都需要使用unordered_map而不是map。

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