C++ における順序なしコンテナと順序ありコンテナの詳細な比較

C++ STL (標準テンプレート ライブラリ) では、コンテナーはデータを格納するために使用されるクラス テンプレートです。コンテナ内の要素がソートされているかどうかによって、コンテナは大まかに順序なしコンテナと順序ありコンテナに分けられます。この記事では、これら 2 種類のコンテナーの違いについて説明し、具体的なコード例を通じてその違いを説明します。

1. 注文されたコンテナ

順序付けられたコンテナ内の要素は自動的に並べ替えられます。 C++ STLでは、典型的な順序付きコンテナ

これらには、std::vector (std::sort でソートされている場合)、std::deque (これもソートされている場合)、std::list (ソートされている場合)、std::set、std::multiset、std::map、std::multimap が含まれます。

たとえば、std::set は、内部要素が自動的にソートされ、重複する要素を許可しないコンテナです。以下は std::set を使用する簡単な例です。

 #include <iostream> #include <set> int main() { std::set<int> s; s.insert(5); s.insert(3); s.insert(7); s.insert(1); s.insert(4); for (int num : s) { std::cout << num << " "; } std::cout << std::endl; return 0; }

このコードは 1 3 4 5 7 を出力します。要素が自動的にソートされていることがわかります。

2. 順序付けされていないコンテナ

順序付けされたコンテナとは異なり、順序付けされていないコンテナ内の要素は自動的にはソートされません。 C++ STL の順序なしコンテナーには、主に std::unordered_set、std::unordered_multiset、std::unordered_map、std::unordered_multimap が含まれます。

これらの順序付けられていないコンテナはハッシュ テーブルに基づいて実装されるため、要素の挿入、削除、および検索操作の平均時間計算量は通常 O(1) になります (理想的なケースでは、ハッシュ関数が適切に設計され、衝突はありません)。ただし、ハッシュ衝突の可能性があるため、最悪の場合、これらの操作の時間計算量は O(n) にまで上昇する可能性があります。

以下は std::unordered_set を使用する簡単な例です。

 #include <iostream> #include <unordered_set> int main() { std::unordered_set<int> us; us.insert(5); us.insert(3); us.insert(7); us.insert(1); us.insert(4); for (int num : us) { std::cout << num << " "; } std::cout << std::endl; return 0; }

std::unordered_set は順序付けられていないため、このコードの出力は 5 7 1 3 4 のようになります (出力順序はハッシュ関数と内部実装によって異なる場合があります)。

3. パフォーマンス比較

1. 時間の計算量:

• 順序付きコンテナ (std::set など) の挿入、削除、検索操作の時間計算量は、通常、赤黒木などのバランス検索木に基づいて実装されるため、O(log n) になります。
• 順序付けされていないコンテナ (std::unordered_set など) では、挿入、削除、検索操作の平均時間計算量は O(1) です (ハッシュ関数が適切に設計されており、衝突がないと仮定した場合)。ただし、ハッシュ衝突により、最悪の場合、これらの操作の時間計算量は O(n) にまで上昇する可能性があります。

2. 空間の複雑さ:

• 順序付けられたコンテナーはツリー構造に基づいて実装されるため、通常は追加のスペースが少なくて済みます。
• 順序付けられていないコンテナーでは、ハッシュ テーブルを保存し、ハッシュの衝突を処理するために、追加のスペースが必要になる場合があります。

4. 使用シナリオ

• 頻繁に検索、挿入、削除操作を実行する必要があり、要素の順序に特別な要件がない場合は、順序なしコンテナーの方が、検索、挿入、削除の平均時間が短いため、より適切な選択肢となる可能性があります。
• コンテナ内の要素を順序付けたままにする必要がある場合、または範囲検索 (たとえば、特定の値未満のすべての要素を検索する) を実行する必要がある場合は、順序付けされたコンテナの方が適している可能性があります。

V. 結論

C++ の順序なしコンテナーと順序付きコンテナーでは、内部実装、パフォーマンス、および使用シナリオに大きな違いがあります。順序付けされていないコンテナーはハッシュ テーブルに基づいて実装され、平均検索、挿入、削除の時間が短くなりますが、より多くのスペースを占有する可能性があります。順序付きコンテナは、バランス検索ツリーなどのデータ構造に基づいて実装されます。要素は自動的にソートされますが、検索、挿入、削除操作の時間的複雑さは比較的高くなります。使用するコンテナの選択は、特定のニーズとパフォーマンス要件に基づいて行う必要があります。