在 C++ unordered_map 中有效地使用 [] 运算符

Posted 2023-02-17

【中文标题】在 C++ unordered_map 中有效地使用 [] 运算符

【英文标题】：Using The [] Operator Efficiently With C++ unordered_map

【发布时间】：2011-08-01 11:27:36

【问题描述】：

首先有人可以澄清一下在 C++ 中使用 [] 运算符和 unordered_map 进行查找是否包含对 find() 方法的调用，或者使用 [] 运算符是否比 find() 更快？

其次，在下面的代码中，我怀疑在键不在 unordered_map 中的情况下，我正在通过 map[key] = value 行进行第二次查找，以便替换使用创建的默认值当键不存在时的 [] 运算符。

这是真的吗，如果是这样的话，有没有办法（可能通过使用指针或其他东西）我可能在任何情况下都只执行一次查找（可能通过存储放置值/读取值的地址from) 并且仍然实现相同的功能？如果是这样，显然这将是一个有用的效率改进。

这里是修改后的代码摘录：

    int stored_val = map[key]; // first look up. Does this wrap ->find()??

    // return the corresponding value if we find the key in the map - ie != 0
    if (stored_val) return stored_val;

    // if not in map
    map[key] = value; 
       /* second (unnecessary?) look up here to find position for newly 
          added key entry */

   return value;

【参考方案1】：

operator[] 将为您插入一个具有默认构造值的条目（如果尚不存在）。它等效于，但可能会比以下更有效地实现：

iterator iter = map.find(key);

if(iter == map.end())

    iter = map.insert(value_type(key, int())).first;


return *iter;

operator[] 可以比使用 find() 和 insert() 手动执行工作更快，因为它可以省去重新散列密钥的麻烦。

您可以解决在代码中进行多次查找的一种方法是引用该值：

int &stored_val = map[key];

// return the corresponding value if we find the key in the map - ie != 0
if (stored_val) return stored_val;

// if not in map
stored_val = value;

return value;

请注意，如果映射中不存在该值，operator[] 将默认构造并插入一个。因此，虽然这将避免多次查找，但如果使用默认构造 + 分配比复制或移动构造更慢的类型，它实际上可能会更慢。

虽然int 默认构造为 0，但您可以将 0 视为一个表示空的幻数。您的示例中可能就是这种情况。

如果你没有这样的幻数，你有两个选择。您应该使用什么取决于您计算该值的成本。

首先，当散列密钥很便宜但计算值很昂贵时，find() 可能是最佳选择。这将散列两次，但仅在需要时计算值：

iterator iter = map.find(key);

// return the corresponding value if we find the key in the map
if(iter != map.end()) return *iter;

// if not in map
map.insert(value_type(key, value));

return value;

但如果你已经获得了价值，你可以非常有效地做到这一点——也许比使用上面的引用 + 幻数更有效：

pair<iterator,bool> iter = map.insert(value_type(key, value));
return *iter.first;

如果map.insert(value_type) 返回的布尔值为真，则该项目已插入。否则，它已经存在并且没有进行任何修改。返回的迭代器指向映射中插入的或现有的值。对于您的简单示例，这可能是最佳选择。

【讨论】：

+1：引用的使用是我平时做的，可读性强，简洁高效

理论上我认为可能存在这样的方法，所以我非常感谢您向我展示如何做到这一点并增加您的专业知识。考虑到我在执行过程中使用了这个功能几十万次，这应该会为我节省大量的执行时间。非常感谢

另外，关于您的编辑：0 在我的程序上下文中是一个有意义的数字，但是当我存储第一个值时，我会记下它的键（使用静态全局变量）并在随后的调用中如果 stored_val 等于 0，我将进行密钥检查，以查看当前密钥是否等于映射到值 0 的密钥。这解决了问题，但感谢您的有效关注。

operator[] 也可能比find() 加上insert() 慢，因为它必须默认构造对象，然后分配给它，其中find() 加上insert() 构造（可能C++03 中的一个附加复制结构）。这是否比重新散列更贵或更便宜（或者实现是否必须重新计算它刚刚查找的值的散列）将取决于。你无法真正提前知道。

在地图中我使用的是原始类型，所以这是否避免了您提到的对象的构造，我想在使用引用类型的地图中会发生这种情况？

【参考方案2】：

您可以检查一个元素是否存在，和如果它不存在则插入一个新元素，使用特殊的insert 函数返回一个pair<iterator, bool>，其中布尔值告诉你如果该值已被实际插入。比如代码here：

  unordered_map<char, int> mymap;
  pair<unordered_map<char,int>::iterator,bool> ret;

  // first insert function version (single parameter):;
  mymap.insert ( pair<char,int>('z',200) );
  ret=mymap.insert (pair<char,int>('z',500) ); 
  if (ret.second==false)
  
    cout << "element 'z' already existed";
    cout << " with a value of " << ret.first->second << endl;
  

此处的代码将<'z',200> 对插入到映射中（如果它不存在）。如果返回的对的第二个元素的值为真，则返回插入的迭代器；如果对的第二个元素为假，则返回元素实际所在的迭代器。

【讨论】：

这是一个有用的答案，非常感谢您的意见。我想我会选择其他一个使用存储引用的方法，因为它在可读性方面看起来更清晰（我不确定效率的差异！），但还是谢谢你们。非常感谢您的帮助。

在计算值很昂贵的（通常）情况下，始终无法插入。在这种情况下，映射用于避免重新计算值 - 这是您的代码完全缺乏的优势。

@Sjoerd，根据问题，计算值似乎不是这个过程的关键耗时任务。如果不是，为什么要尝试优化对（哈希）映射的一两次访问，这主要是 O(1)？

@Diego 好点，虽然计算哈希也可能很耗时。

@Diego 请注意，耗时的计算也是 O(1)，因为它很可能不依赖于 unordered_map 的大小。所以总是重新计算是 O(1) - 即使重新计算需要很长时间。

【参考方案3】：

首先有人可以澄清一下在 C++ 中使用 [] 运算符和 unordered_map 进行查找是否包含对 Find() 方法的调用，或者使用 [] 运算符是否比 Find() 更快？

对此没有规定。 [] 的实现可以使用find()，它可以自行执行查找，也可以将查找委托给find() 在内部使用的某个私有方法。

也不能保证哪个更快。 find() 涉及构造和返回迭代器的开销，而 [] 如果键不存在可能会更慢，因为在这种情况下它会插入一个新值。

(...) 有没有一种方法（可能通过使用指针或其他方式）我可能在任何情况下都只执行一次查找 (...)

如果键不在映射中，[] 将插入一个新的默认构造值，并返回一个引用。因此，您可以存储该引用以保存第二次查找：

int& stored_val = map[key];  // Note the reference

if (stored_val) return stored_val;

// Use the reference to save a second lookup.
stored_val = value; 

return value;

【讨论】：

这看起来正是我所追求的，非常感谢。只是出于兴趣，如果 & 是“地址”，那么为什么说 *stored_val = value; 是不正确的？其中 * 表示“存储的值”？请纠正我对此处语法的可能误解！

& 在 C++ 中用于“地址”（获取指针）和引用（隐式指针）。这里，int& 是一个引用，而不是一个指针（这将是int*）。您不必取消引用引用，因此无需编写*stored_value = ...。