Contenedores Asociativos: map, set, unordered_map

Aprende sobre contenedores asociativos ordenados y no ordenados — maps, sets y sus variantes multi- y unordered. Comprende cuando elegir arboles vs tablas hash.

Contenedores Asociativos Ordenados vs No Ordenados

La STL proporciona dos familias de contenedores asociativos:

Ordenados (implementados como arboles rojo-negro):
- std::map — pares clave-valor ordenados, claves unicas
- std::set — claves unicas ordenadas
- std::multimap — pares clave-valor ordenados, claves duplicadas permitidas
- std::multiset — claves ordenadas, duplicados permitidos

No ordenados (implementados como tablas hash):
- std::unordered_map — clave-valor basado en hash, claves unicas
- std::unordered_set — claves unicas basadas en hash
- std::unordered_multimap — basado en hash, claves duplicadas
- std::unordered_multiset — basado en hash, duplicados

Los contenedores ordenados mantienen los elementos ordenados y proporcionan busqueda, insercion y eliminacion O(log n). Los contenedores no ordenados usan hashing para operaciones O(1) en caso promedio pero O(n) en el peor caso si ocurren muchas colisiones.

Usando map y set

std::map almacena pares clave-valor ordenados por clave. std::set almacena valores unicos ordenados. Ambos estan implementados como arboles rojo-negro auto-balanceados, garantizando operaciones O(log n).

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';
}

Contenedores No Ordenados y Funciones Hash Personalizadas

Los contenedores no ordenados usan tablas hash para busqueda O(1) en caso promedio. Para tipos de clave personalizados, debes proporcionar una funcion hash y un operador de igualdad.

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 y Multiset

std::multimap y std::multiset permiten claves duplicadas. Usa equal_range() para encontrar todas las entradas con una clave dada.

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
}

Comparadores Personalizados para Contenedores Ordenados

Los contenedores ordenados usan std::less por defecto (orden ascendente). Puedes proporcionar un comparador personalizado como tercer argumento de plantilla:

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

Para tipos personalizados, puedes definir operator< en tu clase o pasar un functor o lambda comparador:

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);

En C++20, puedes usar el operador nave espacial (operator<=>) para generar automaticamente todos los operadores de comparacion.

Error común

Usar operator[] en un std::map o std::unordered_map inserta un valor construido por defecto si la clave no existe. Esta es una fuente comun de errores sutiles:

std::map<std::string, int> m;
int val = m["missing"];  // inserta {"missing", 0} en el mapa!

Usa find(), count() o contains() (C++20) para busqueda sin modificacion. Usa at() si quieres una excepcion ante claves faltantes.

Buena práctica

Usa unordered_map/unordered_set cuando solo necesites busqueda, insercion y eliminacion — el caso promedio O(1) supera a O(log n) para colecciones grandes.

Usa map/set cuando necesites:
- Orden de iteracion ordenado
- Consultas por rango (lower_bound, upper_bound, equal_range)
- O(log n) garantizado en el peor caso (sin colisiones hash patologicas)

Para colecciones pequenas (menos de ~100 elementos), un std::vector ordenado con std::lower_bound puede superar a ambos debido a la localidad de cache.

Puntos clave

std::map y std::set usan arboles rojo-negro — operaciones O(log n) con orden clasificado
std::unordered_map y std::unordered_set usan tablas hash — O(1) en promedio pero requieren una funcion hash
Usa structured bindings de C++17 (auto& [key, val]) para iteracion limpia sobre maps
operator[] en maps inserta silenciosamente valores por defecto — usa find() o contains() para busqueda segura
Los tipos personalizados como claves requieren operator< (ordenados) o una funcion hash + operator== (no ordenados)
try_emplace (C++17) evita construir el valor si la clave ya existe

Quiz — Pon a prueba tus conocimientos

(15 XP)

1. Cual es la complejidad temporal promedio de busqueda en `std::unordered_map`?

2. Que sucede cuando usas `operator[]` con una clave que no existe en un `std::map`?

3. Que contenedor deberias elegir si necesitas iteracion ordenada Y consultas por rango (lower_bound/upper_bound)?

Contenedores de Secuencia: vector, deque, list, array

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