C++

Assoziative Container: map, set, unordered_map

Lerne geordnete und ungeordnete assoziative Container kennen — Maps, Sets und ihre Multi- und Unordered-Varianten. Verstehe, wann Bäume oder Hash-Tabellen die bessere Wahl sind.

Geordnete vs. ungeordnete assoziative Container

Die STL bietet zwei Familien von assoziativen Containern:

Geordnet (implementiert als Rot-Schwarz-Bäume):
- std::map — sortierte Schlüssel-Wert-Paare, eindeutige Schlüssel
- std::set — sortierte eindeutige Schlüssel
- std::multimap — sortierte Schlüssel-Wert-Paare, doppelte Schlüssel erlaubt
- std::multiset — sortierte Schlüssel, Duplikate erlaubt

Ungeordnet (implementiert als Hash-Tabellen):
- std::unordered_map — hashbasierte Schlüssel-Wert-Paare, eindeutige Schlüssel
- std::unordered_set — hashbasierte eindeutige Schlüssel
- std::unordered_multimap — hashbasiert, doppelte Schlüssel
- std::unordered_multiset — hashbasiert, Duplikate

Geordnete Container halten Elemente sortiert und bieten O(log n)-Suche, -Einfügung und -Löschung. Ungeordnete Container verwenden Hashing für O(1)-Durchschnittsoperationen, aber O(n) im schlimmsten Fall bei vielen Kollisionen.

Verwendung von map und set

std::map speichert Schlüssel-Wert-Paare sortiert nach Schlüssel. std::set speichert sortierte eindeutige Werte. Beide sind als selbstbalancierende Rot-Schwarz-Bäume implementiert, die O(log n)-Operationen garantieren.

map_set.cpp
#include <map>
#include <set>
#include <string>
#include <iostream>

int main() {
    // std::map — sorted key-value pairs
    std::map<std::string, int> ages;
    ages["Alice"] = 30;              // insert or update
    ages["Bob"]   = 25;
    ages.insert({"Charlie", 35});    // insert only if key absent
    ages.emplace("Diana", 28);       // construct in-place

    // Lookup
    if (auto it = ages.find("Bob"); it != ages.end()) {
        std::cout << it->first << " is " << it->second << '\n';
    }

    // C++17 structured bindings — elegant map iteration
    for (const auto& [name, age] : ages) {
        std::cout << name << ": " << age << '\n';
    }
    // Output is sorted by key: Alice, Bob, Charlie, Diana

    // std::set — sorted unique values
    std::set<int> primes = {2, 3, 5, 7, 11, 13};
    primes.insert(5);                // no effect — 5 already present
    primes.insert(17);               // inserted

    if (primes.contains(7)) {        // C++20
        std::cout << "7 is prime\n";
    }

    // count() — returns 0 or 1 for set (useful pre-C++20)
    if (primes.count(4) == 0) {
        std::cout << "4 is not prime\n";
    }

    // lower_bound / upper_bound — range queries
    auto lo = primes.lower_bound(5);
    auto hi = primes.upper_bound(11);
    for (auto it = lo; it != hi; ++it) {
        std::cout << *it << ' ';     // 5 7 11
    }
    std::cout << '\n';
}

Ungeordnete Container und benutzerdefinierte Hash-Funktionen

Ungeordnete Container verwenden Hash-Tabellen für O(1)-Durchschnittssuche. Für benutzerdefinierte Schlüsseltypen muss eine Hash-Funktion und ein Gleichheitsoperator bereitgestellt werden.

unordered_custom.cpp
#include <unordered_map>
#include <unordered_set>
#include <string>
#include <iostream>

// Custom type as key
struct Point {
    int x, y;
    bool operator==(const Point&) const = default;  // C++20
};

// Custom hash function
struct PointHash {
    std::size_t operator()(const Point& p) const {
        // Combine hashes — a common pattern
        auto h1 = std::hash<int>{}(p.x);
        auto h2 = std::hash<int>{}(p.y);
        return h1 ^ (h2 << 1);  // simple combine (consider better hashes in production)
    }
};

int main() {
    // Basic unordered_map — O(1) average lookup
    std::unordered_map<std::string, double> prices;
    prices["apple"]  = 1.50;
    prices["banana"] = 0.75;
    prices["cherry"] = 3.00;

    // try_emplace (C++17) — only constructs value if key is absent
    prices.try_emplace("apple", 9.99);   // no-op, "apple" exists
    prices.try_emplace("date", 4.50);    // inserted

    // extract and insert (C++17 node API)
    auto node = prices.extract("banana");
    if (!node.empty()) {
        node.key() = "plantain";          // rename key without copy
        prices.insert(std::move(node));
    }

    for (const auto& [fruit, price] : prices) {
        std::cout << fruit << ": $" << price << '\n';
    }

    // Custom type as key
    std::unordered_set<Point, PointHash> points;
    points.insert({1, 2});
    points.insert({3, 4});
    points.insert({1, 2});   // duplicate — not inserted
    std::cout << "Unique points: " << points.size() << '\n';  // 2
}

Multimap und Multiset

std::multimap und std::multiset erlauben doppelte Schlüssel. Verwende equal_range(), um alle Einträge mit einem bestimmten Schlüssel zu finden.

multimap_multiset.cpp
#include <map>
#include <set>
#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // multimap — multiple values per key
    std::multimap<std::string, std::string> phone_book;
    phone_book.insert({"Alice", "555-0100"});
    phone_book.insert({"Alice", "555-0101"});  // duplicate key OK
    phone_book.insert({"Bob",   "555-0200"});

    // equal_range returns a pair of iterators [first, last)
    auto [begin, end] = phone_book.equal_range("Alice");
    std::cout << "Alice's numbers:\n";
    for (auto it = begin; it != end; ++it) {
        std::cout << "  " << it->second << '\n';
    }

    // multiset — count duplicates
    std::multiset<int> ms = {1, 2, 2, 3, 3, 3};
    std::cout << "Count of 3: " << ms.count(3) << '\n';  // 3
}

Benutzerdefinierte Vergleichsfunktionen für geordnete Container

Geordnete Container verwenden standardmäßig std::less (aufsteigende Reihenfolge). Du kannst einen benutzerdefinierten Vergleich als drittes Template-Argument angeben:

std::set<int, std::greater<int>> descending = {1, 5, 3};
// Iterationsreihenfolge: 5, 3, 1

Für benutzerdefinierte Typen kannst du entweder operator< in deiner Klasse definieren oder einen Vergleichs-Funktor oder Lambda übergeben:

auto cmp = [](const Point& a, const Point& b) {
    return a.x < b.x || (a.x == b.x && a.y < b.y);
};
std::set<Point, decltype(cmp)> point_set(cmp);

In C++20 kannst du den Spaceship-Operator (operator<=>) verwenden, um automatisch alle Vergleichsoperatoren zu generieren.

Stolperfalle

Die Verwendung von operator[] bei einer std::map oder std::unordered_map fügt einen standardkonstruierten Wert ein, wenn der Schlüssel nicht existiert. Dies ist eine häufige Quelle subtiler Fehler:

std::map<std::string, int> m;
int val = m["missing"];  // fügt {"missing", 0} in die Map ein!

Verwende find(), count() oder contains() (C++20) für Suchen ohne Modifikation. Verwende at(), wenn du eine Exception bei fehlenden Schlüsseln möchtest.

Best Practice

Verwende unordered_map/unordered_set, wenn du nur Suche, Einfügung und Löschung brauchst — der O(1)-Durchschnitt schlägt O(log n) bei großen Sammlungen.

Verwende map/set, wenn du brauchst:
- Sortierte Iterationsreihenfolge
- Bereichsabfragen (lower_bound, upper_bound, equal_range)
- Garantiertes O(log n) im schlimmsten Fall (keine pathologischen Hash-Kollisionen)

Für kleine Sammlungen (weniger als ~100 Elemente) kann ein sortierter std::vector mit std::lower_bound beide aufgrund der Cache-Lokalität übertreffen.

Wichtigste Erkenntnisse
  • std::map und std::set verwenden Rot-Schwarz-Bäume — O(log n)-Operationen mit sortierter Reihenfolge
  • std::unordered_map und std::unordered_set verwenden Hash-Tabellen — O(1) im Durchschnitt, erfordern aber eine Hash-Funktion
  • Verwende C++17 Structured Bindings (auto& [key, val]) für saubere Map-Iteration
  • operator[] bei Maps fügt stillschweigend Standardwerte ein — verwende find() oder contains() für sichere Suche
  • Benutzerdefinierte Typen als Schlüssel erfordern operator< (geordnet) oder eine Hash-Funktion + operator== (ungeordnet)
  • try_emplace (C++17) vermeidet die Konstruktion des Werts, wenn der Schlüssel bereits existiert

Quiz — Teste dein Wissen

(15 XP)

1. Was ist die durchschnittliche Zeitkomplexität der Suche in `std::unordered_map`?

2. Was passiert, wenn du `operator[]` mit einem Schlüssel verwendest, der in einer `std::map` nicht existiert?

3. Welchen Container solltest du wählen, wenn du sortierte Iteration UND Bereichsabfragen (lower_bound/upper_bound) brauchst?

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