条款24：当关乎效率时应该在map::operator[]和map-insert之间仔细选择

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2023-12-01

条款24：当关乎效率时应该在map::operator[]和map-insert之间仔细选择

让我们假设有一个支持默认构造函数以及从一个double构造和赋值的Widget类：

class Widget {
public:
	Widget();
	Widget(double weight);
	Widget& operator=(double weight);
	...
}

现在让我们假设我们想建立一个从int到Widget的map，而且我们想有初始化有特定值的映射。这可以简化为：

map<int, Widget> m;
m[1] = 1.50;
m[2] = 3.67;
m[3] = 10.5;
m[4] = 45.8;
m[5] = 0.0003;

实际上，简化掉的唯一事情是忘了实际上的进行了什么操作。那很糟糕，因为实际进行的会造成一个相当大的性能冲击。

map的operator[]函数是个奇怪的东西。它与vector、deque和string的operator[]函数无关，也和内建的数组operator[]无关。相反，map::operator[]被设计为简化“添加或更新”功能。即，给定

map<K, V> m;

这个表达式

m[k] = v;

检查键k是否已经在map里。如果不，就添加上，以v作为它的对应值。如果k已经在map里，它的关联值被更新成v。

这项工作的原理是operator[]返回一个与k关联的值对象的引用。然后v赋值给所引用（从operator[]返回的）的对象。当要更新一个已存在的键的关联值时很直接，因为已经有operator[]可以用来返回引用的值对象。但是如果k还不在map里，operator[]就没有可以引用的值对象。那样的话，它使用值类型的默认构造函数从头开始建立一个，然后operator[]返回这个新建立对象的引用。

让我们再次地看看原先例子的第一部分：

map<int, Widget> m;
m[1] = 1.50;

表达式m[1]是m.operator[](1)的简化，所以这是一个map::operator[]的调用。那个函数必须返回一个Widget的引用，因为m 的映射类型是Widget。在这里，m里面还没有任何东西，所以键1在map里没有入口。因此operator[]默认构造一个Widget来作为关联到1的值，然后返回到那个Widget的引用。最后，Widget成为赋值目标：被赋值的值是1.50。

换句话说，这个语句

m[1] = 1.50;

功能上等价于这个：

typedef map<int, Widget> IntWidgetMap;				// 方便的
								// typedef
pair<IntWidgetMap::iterator, bool> result =				// 用键1建立新
		m.insert(IntWidgetMap::value_type(1, Widget()));	// 映射入口
								// 和一个默认构造的
								// 值对象；
								// 看下面对于
								// value_type的
								// 注释
result.first->second = 1.50;					// 赋值给
								// 新构造的
								// 值类型

现在已经很清楚为什么这种方法可能降低性能了。我们先默认构造一个Widget，然后我们立即赋给它新值。如果用想要的值构造Widget比默认构造Widget然后进行赋值显然更高效，我们就应该用直截了当的insert调用来替换operator[]的使用（包括它的构造加赋值）：

m.insert(IntWidgetMap::value_type(1, 1.50));

这与上面的那些代码有相同的最终效果，除了它通常节省了三次函数调用：一个建立临时的默认构造Widget对象，一个销毁那个临时的对象和一个对Widget的赋值操作。那些函数调用越昂贵，你通过使用map-insert代替map::operator[]就能节省越多。

上面的代码利用了每个标准容器都提供的value_type typedef。这typedef没有什么特别重要的，但对于map和multimap（以及非标准容器的hash_map和hash_multimap——参见条款25），记住它是很重要的，容器元素的类型总是某种pair。

我早先谈及的operator[]被设计为简化“添加或更新”功能，而且现在我们理解了当“增加”被执行时，insert比operator[]更高效。当我们做更新时，情形正好相反，也就是，当一个等价的键（参见条款19）这已经在map里时。为了看出为什么情况是这样，看看我们的更新选项：

m[k] = v;								// 使用operator[]
								// 来把k的值
								// 更新为v
m.insert(
	IntWidgetMap::value_type(k, v)).first->second = v;		// 使用insert
								// 来把k的值
								// 更新为v

语法本身也许会让你信服地支持operator[]，但在这里我们关注于效率，所以我们将忽略它。insert的调用需要IntWidgetMap::value_type类型的实参（即pair<int, Widget>），所以当我们调用insert时，我们必须构造和析构一个那种类型的对象。那耗费了一对构造函数和析构函数，也会造成一个Widget的构造和析构，因为pair<int, Widget>本身包含了一个Widget对象，operator[]没有使用pair对象，所以没有构造和析构pair和Widget。

因此出于对效率的考虑，当给map添加一个元素时，我们断定insert比operator[]好；而从效率和美学考虑，当更新已经在map里的元素值时operator[]更好。如果STL提供一个两全其美的函数，即，在句法上吸引人的包中的高效的“添加或更新”功能。例如，很容易可以想象一个像这样的调用接口：

iterator affectedPair =				// 如果键k不再map m中；高效地
	efficientAddOrUpdate(m, k, v);		// 把pair(k, v)添加到m中；否则
						// 高效地把和k关联
						// 的值更新为v。返回一个
						// 指向添加或修改的
						// pair的迭代器

但是，在STL内没有像这样的函数，正如下面的代码所演示的，自己写一个并不难。那些注释总结了正在做什么，而且随后的段落也提供了一些附加的解释。

template<typename MapType,				// map的类型
		typename KeyArgType,		// KeyArgType和ValueArgtype
		typename ValueArgtype>		// 是类型参数
						// 的原因请看下面
typename MapType::iterator
	efficientAddOrUpdate(MapType& m,
				const KeyArgType& k,
				const ValueArgtype& v)
{
	typename MapType::iterator Ib =			// 找到k在或应该在哪里；
		m.lower_bound(k);				// 为什么这里
							// 需要“typename”
							// 参见第7页
	if(Ib != m.end() &&				// 如果Ib指向一个pair
		!(m.key_comp()(k, Ib->first))) {		// 它的键等价于k...
			Ib->second = v;			// 更新这个pair的值
			return Ib;			// 并返回指向pair的
		}					// 迭代器
		else{
			typedef typename MapType::value_type MVT;
			return m.insert(Ib, MVT(k, v));	// 把pair(k, v)添加到m并
		}					// 返回指向新map元素的
}							// 迭代器

执行一个高效的增加或更新，我们需要能找出k的值是否在map中；如果是这样，那它在哪里；如果不是，它该被插入哪里。这个工作是为low_bound（参见条款45）量身定做的，所以在这里我们调用那个函数。确定lower_bound是否用我们要寻找的键找到了一个元素，我们对后半部分进行一个等价测试（参见条款19），一定要对map使用正确的比较函数：通过map::key_comp提供的比较函数。等价测试的结果告诉我们应该进行增加还是更新。

如果是更新，代码很直截了当。插入分支更有趣，因为它使用了insert的“提示”形式。结构m.insert(Ib， MVT(k，v))“提示”了Ib鉴别出了键等价于k的新元素正确的插入位置，而且标准保证如果提示正确，那么插入将在分摊的常数时间内发生，而不是对数时间。在efficientAddOrUpdate里，我们知道Ib鉴别出了适当的插入位置，因此insert的调用被保证为是一次常数时间操作。

这个实现的一个有趣方面是KeyArgType和ValueArgType不必是储存在map里的类型。它们只需要可以转换到储存在map里的类型。一个可选的方法是去掉类型参数KeyArgType和ValueArgType，改为使用MapType::key_type和MapType::mapped_type。但是，如果我们那么做，在调用时我们可能强迫发生不必要的类型转换。例如，再次看看我们在本条款的例子里使用的map定义：

map<int, Widget> m;					// 同前

别忘了Widget接受从一个double赋值：

class Widget {						// 也同前
public:
	...
	Widget& operator=(double weight);
	...
};

现在考虑efficientAddOrUpdate的调用：

efficientAddOrUpdate(m, 10, 1.5);

假设是一次更新操作，即，m已经包含键是10的元素。那样的话，上面的模板推断出ValueArgType是double，函数体直接把1.5作为double赋给与10相关的那个Widget。那是通过调用Widget::operator(double)完成的。如果我们用了MapType::mapped_type作为efficientAddOrUpdate的第3个参数的类型，在调用时我们得把1.5转化成一个Widget，那样的话我们就得花费本来不需要的一次Widget构造（以及随后的析构）。

efficientAddOrUpdate实现中的细节可能很有趣，但它们没有本条款的要点重要，也就是当关乎效率时应该在map::operator[]和map-insert之间仔细选择。如果你要更新已存在的map元素，operator[]更好，但如果你要增加一个新元素，insert则有优势。