C++(STL):01---pair容器

一、pair历史概述

• C++标准库的第1版（C++98），提供了一个简单的class，用来处理类型不同的两个（一对）值，这个就是pair。到了C++11，pair被重新定义，有了很大扩展
• pair与tuple：
  • tuple在TR1被引入，它是对pair的扩展
  • tuple在后面详细概述。

二、pair概述

特点：

• 一个pair保存两个数据，pair是一个用来生成特定类型的模板
• 当创建一个pair时，我们必须提供两个类型名，pair的数据成员具有对应的类型
• C++标准库内部多出用到了pair：
  • 例如容器map、multimap、unordered_map、unordered_multimap就是使用pair来管理其元素
  • 例如任何函数如果需要返回两个value，也需要用到pair，例如minmax()函数

内部定义

pair在底层被定义为一个struct，其所有成员默认都是public的

namespace std { 
template <typename T1，typename T2>
struct pair {
// member 
T1 first;
T2 second;
};
}

pair的操作：

• pair定义于<utility>头文件内，命名空间为std::pair
• pair提供了下面的操作：
  • 原则上可以对pair<>执行create、copy/assign/swap及compare等操作
  • 此外还提供了first_type、second_type类型定义式，用来表示第一value和第二value的类型

三、构造函数、赋值、移动语义

• 规则：
  • ①定义pair时，不给出值时，使用默认构造函数初始化
  • ②使用圆括号/花括号初始化器进行初始化

默认构造函数

• 规则：默认构造函数生成一个pair时，其元素分别执行默认构造函数
• 演示案例：

//保存两个string，两个string初始化为空
pair<string, string> anon;
//保存一个string和一个size_t，string为空，size_t为0
pair<string, size_t> word_count;
//保存一个string和一个vector容器，string和vector均为空
pair<string, vector<int>> line;

构造函数

• pair提供了三个构造函数，用来初始化first和second成员：
  • 第1个和第2个：比较常见，分别传递实参给fisrt和second进行初始化
  • 第3个：比较特殊，其传递两个tuple
• 演示案例：下面是一般的初始化，使用普通的构造函数

pair<string, string> author{"James","Joyce"};
//等同于pair<string, string> author("James","Joyce");

• 第三种构造函数比较特殊，如果想要使用，必须传递一个std::pircewise_construct作为参数1才能够使用。例如：

class Foo {
public:
Foo(tuple<int, float>) {
cout << "F::Foo(tuple)" << endl;
}


template <typename... Args>
Foo(Args... args) {
cout << "F::Foo(args...)" << endl;
}
};


int main()
{
tuple<int, float> t(1, 2.22);
pair<int, Foo> p1(42, t);


pair<int, Foo> p2(piecewise_construct, make_tuple(42), t);
return 0;
}

• 上面程序的输出如下：

F::F00(tuple)

F::Foo(args...)

• 这种特殊的初始化发生在当我们需要安放（emplace()）一个新元素到(unordered)map或multimap中时

拷贝构造函数

• 拷贝构造函数有3个版本：
  • 版本1：接收相同类型的pair
  • 版本2：是个member template，在“构造过程中需要隐式类型转换”时被调用。如果
  • 版本3：隐式合成的，template形式的构造函数不会掩盖合成的拷贝构造函数。如果pair对象被复制，调用的是这个版本
• 演示案例：

void f(std::pair<int, const char*>);
void g(std::pair<const int, std::string>);


void foo()
{
std::pair<int, const char*> p(42,"hello");
f(p); //调用版本1
g(p); //调用版本2
}

• 从C++11起，如果pair中某个元素其只有一个nonconstant copy构造函数，那么将不再编译成功。例如：

class A
{
public:
A(A&);
};


int main()
{
std::pair<A, int> p; //错误
return 0;
}

赋值运算符、移动语义

• 从C++11起：
  • 赋值运算符以member template形式出现，使隐式类型转换得以进行
  • 此外，也支持move semantic（移动语义），可以搬移first和second元素。

四、元素访问

• 因为pair被定义为struct，因此其所有成员都是public的，可以直接访问

first、second成员

• first、second分别用来访问pair容器的第1、第2个数据成员

pair<string, string> author{ "James","Joyce" };
cout << author.first <<"\n"<< author.second << endl;

• 例如自己实现一个泛型函数模板，可以将一个pair写入stream中

template<typename T1,typename T2>std::ostream& operator<<(std::ostream& strm, std::pair<T1, T2>& p){return strm << "[" << p.first << "," << p.second << "]";}

tuple-like接口

• 从C++11起，可以对pair使用一份tuple-like接口。这些接口本来视为tuple设计的，但是pair也可以使用（在tuple文章有详细介绍）
• 例如：
  • 使用tuple_size<>::value获得元素个数
  • 使用tuple_element<>::type获得某指定元素的类型
  • 也可以使用get()获得first或second

typedef std::pair<int, float> IntFloatPair;IntFloatPair p(42, 3.14);
std::get<0>(p); //等价于p.firststd::get<1>(p); //等价于p.second
std::tuple_size<IntFloatPair>::value;          //返回2std::tuple_element<0, IntFloatPair>::type num; //等价于int num

五、便捷函数make_pair()

make_pair()函数的定义

• 在C++11之前，这个函数的声明和定义如下L

• C++11之后，pair需要应付move semantic（移动语义），因此定义修改如下：

使用演示案例

• 例如：

void f(std::pair<int, const char*>);
void g(std::pair<const int, std::string>);


void foo()
{
f(std::make_pair(42, "empty")); //直接创建pair
g(std::make_pair(42, "chair")); //创建pair时需要类型转换
return 0;
}

• 使用pair创建对象，其元素型是绝对的；使用make_pair创建对象，其元素类型使用默认的。例如：
  • 下面pair创建的其second元素类型固定为float。make_pair创建的其second元素类型默认为double
  • 这对于使用重载函数或template时，确切的类型传递十分重要

std::pair<int, float>(42, 7.77);std::make_pair(42, 7.77);

移动语义（move semantic）

• 如果你现在make_pair()中使用move semantic语义，那么你需要显式给出std::move()声明。例如：

std::string s, t;//使用s和t初始化一个pair，s和t使用移动语义，表示之后不再使用auto p = std::make_pair(std::move(s), std::move(t));

• 如果你选择的是reference semantic，那么需要使用ref()，强制形成一个reference类型，或使用cref()强制形成一个constant reference类型（二者由<functional>提供）。例如：

int i = 0;
auto p = std::make_pair(std::ref(i), std::ref(i));++p.first;++p.second;
std::cout << "i:" << i << std::endl; //打印2

六、std::tie()接口

• C++11起，可以使用定义于<tuple>内的tie()接口，抽取出pair的value
• 例如，下面的p（pair类型）被赋值给一个tuple类型，后者第二value是个reference，指向c

std::pair<char, char> p = std::make_pair('x', 'y');


char c;
std::tie(std::ignore, c) = p;
std::cout << c << std::endl; //y

七、pair作为函数返回值的使用

• 如果pair作为函数返回值返回，则可以使用下面的方式：
  • 隐式/显式构造返回
  • 初始化器返回
  • 使用make_pair<>创建pair对象返回

演示案例：

pair<string, int> process(vector<string> &v)
{
if (!v.empty())
return{ v.back(),v.back().size() }; //初始化器返回
else
return pair<string, int>();//隐式构造返回
//return pair<string, int>(v.back(),v.back().size);//显示构造返回
}

• 在C++早期版本，不允许使用初始化器，因此只能使用显式构造
• 也可以使用make_pair<>创建pair对象返回

if (!v.empty)return make_pair{ v.back(),v.back().size };

八、pair之间的比较

• 相等运算符：只有当两个pair对象内的所有元素都相等，才视这两个pair对象相等

• 比较运算符：此处以<为例。第一元素具有较高的优先级，如果比较成功就不再继续比较；如果相等，继续接着比较

• 其他运算符原理类似

九、 pair运用实例

• C++标准库大量使用pair：
  • 例如(unordered)map和multimap容器的元素类型都是pair，也就是一对key/vaule
  • C++标准库中凡“必须返回两个value”的函数都是用pair对象