C++ `std::flat_map` / `flat_set`：C++23 紧凑容器的性能优势

好的，各位观众老爷们，今天咱们来聊聊C++23里新来的两位重量级选手：std::flat_map 和 std::flat_set。这俩家伙号称是紧凑容器，那到底紧凑在哪儿？性能又好在哪儿？咱们今天就来扒一扒它们的底裤，看看是不是真的那么香！

开场白：容器江湖的新势力

在C++的容器江湖里，std::map 和 std::set 这对好基友一直占据着重要的地位。它们基于红黑树实现，提供了对数级别的查找、插入和删除操作。但是，红黑树的每个节点都要维护额外的颜色信息和指针，这导致了内存占用较高，而且频繁的内存分配和释放也会影响性能。

这时候，std::flat_map 和 std::flat_set 带着“我更紧凑，我更快”的口号横空出世。它们把元素存储在连续的内存块中，利用二分查找来提高查找效率。这就像把一堆散落在各处的零件整理到一个工具箱里，用的时候更容易找到。

std::flat_map 和 std::flat_set 的庐山真面目

简单来说，std::flat_map 就像一个排序好的 std::vector<std::pair<Key, Value>>，而 std::flat_set 就像一个排序好的 std::vector<Key>。它们的主要特点是：

连续存储： 所有元素都存储在连续的内存块中，避免了指针的开销和内存碎片。
排序： 元素总是按照键的顺序排列，这使得二分查找成为可能。
Cache-friendly： 连续的内存访问模式更容易被CPU缓存命中，提高性能。

代码示例：初窥门径

让我们先来看几个简单的代码示例，感受一下 std::flat_map 和 std::flat_set 的用法：

#include <iostream>
#include <flat_map>
#include <flat_set>
#include <string>

int main() {
  // std::flat_map 的使用
  std::flat_map<int, std::string> my_flat_map;
  my_flat_map[1] = "apple";
  my_flat_map[3] = "banana";
  my_flat_map[2] = "cherry";

  std::cout << "Flat Map:" << std::endl;
  for (const auto& [key, value] : my_flat_map) {
    std::cout << key << ": " << value << std::endl;
  }
  std::cout << std::endl;

  // std::flat_set 的使用
  std::flat_set<int> my_flat_set;
  my_flat_set.insert(3);
  my_flat_set.insert(1);
  my_flat_set.insert(2);

  std::cout << "Flat Set:" << std::endl;
  for (const auto& element : my_flat_set) {
    std::cout << element << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

  return 0;
}

这段代码演示了如何创建、插入和遍历 std::flat_map 和 std::flat_set。注意，插入元素后，它们会自动按照键的顺序排列。

性能分析：是骡子是马拉出来溜溜

光说不练假把式，接下来咱们就来分析一下 std::flat_map 和 std::flat_set 的性能优势。

1. 查找性能

由于 std::flat_map 和 std::flat_set 使用二分查找，它们的查找时间复杂度为 O(log n)，与 std::map 和 std::set 相同。但是，由于连续的内存访问和更好的缓存命中率，std::flat_map 和 std::flat_set 在实际应用中往往比 std::map 和 std::set 更快。

2. 插入和删除性能

插入和删除操作是 std::flat_map 和 std::flat_set 的弱项。由于需要保持元素的排序，插入和删除操作可能需要移动大量的元素，导致时间复杂度为 O(n)。相比之下，std::map 和 std::set 的插入和删除时间复杂度为 O(log n)。

但是，如果插入和删除操作主要发生在容器的末尾，或者在插入之前已经知道元素的位置，那么 std::flat_map 和 std::flat_set 的性能可能会更好。

3. 内存占用

std::flat_map 和 std::flat_set 的内存占用通常比 std::map 和 std::set 更少。因为它们不需要存储额外的指针和颜色信息。这在内存受限的环境中非常重要。

性能对比表格

为了更清晰地展示它们的性能差异，我们用一个表格来总结一下：

操作	`std::map` / `std::set`	`std::flat_map` / `std::flat_set`	备注
查找	O(log n)	O(log n)	`std::flat_map` / `std::flat_set` 通常更快，因为缓存命中率更高。
插入	O(log n)	O(n)	如果插入位置已知或在末尾插入，`std::flat_map` / `std::flat_set` 可能会更快。
删除	O(log n)	O(n)	如果删除位置已知或在末尾删除，`std::flat_map` / `std::flat_set` 可能会更快。
内存占用	较高	较低	`std::flat_map` / `std::flat_set` 不需要存储指针和颜色信息。
迭代	O(n)	O(n)	迭代器的实现可能影响实际性能。`flat_map`由于数据连续，可能更快

使用场景分析：该出手时就出手

那么，在什么情况下应该使用 std::flat_map 和 std::flat_set 呢？

查找操作频繁，插入和删除操作较少： 如果你的应用主要进行查找操作，而插入和删除操作较少，那么 std::flat_map 和 std::flat_set 是一个不错的选择。例如，配置文件解析、静态数据索引等。
内存受限： 如果你的应用运行在内存受限的环境中，std::flat_map 和 std::flat_set 可以帮助你节省内存。例如，嵌入式系统、移动设备等。
数据量较小： 当数据量较小时，std::flat_map 和 std::flat_set 的线性插入和删除操作的开销可能并不明显，反而可以利用缓存优势提高查找性能。
批量操作： 如果可以批量插入或删除元素，可以先将元素排序，然后一次性插入或删除，这样可以减少移动元素的次数，提高性能。

注意事项：小心驶得万年船

在使用 std::flat_map 和 std::flat_set 时，需要注意以下几点：

插入和删除性能： 插入和删除操作可能会比较慢，需要谨慎使用。尽量避免频繁的随机插入和删除操作。
内存占用： 虽然 std::flat_map 和 std::flat_set 的内存占用通常比 std::map 和 std::set 更少，但是当数据量很大时，连续的内存块可能会占用大量的内存。
异常安全： 在插入和删除元素时，如果发生异常，可能会导致数据不一致。需要 carefully 考虑异常安全问题。
移动语义： 合理利用移动语义可以减少不必要的拷贝，提高性能。

进阶技巧：玩转 std::flat_map 和 std::flat_set

除了基本的用法之外，std::flat_map 和 std::flat_set 还有一些高级技巧可以帮助你更好地利用它们：

自定义比较器： 可以使用自定义的比较器来定义元素的排序方式。例如，可以按照字符串的长度来排序。
预分配内存： 如果事先知道容器的大小，可以使用 reserve() 方法预先分配内存，避免频繁的内存重新分配。
移动语义： 在插入元素时，尽量使用移动语义，避免不必要的拷贝。
查找算法： 除了 find() 方法之外，还可以使用 lower_bound()、upper_bound() 和 equal_range() 方法进行更高级的查找操作。

代码示例：高级用法

#include <iostream>
#include <flat_map>
#include <flat_set>
#include <string>
#include <algorithm>

// 自定义比较器，按照字符串长度排序
struct StringLengthCompare {
  bool operator()(const std::string& a, const std::string& b) const {
    return a.length() < b.length();
  }
};

int main() {
  // 使用自定义比较器的 std::flat_set
  std::flat_set<std::string, StringLengthCompare> my_flat_set;
  my_flat_set.insert("apple");
  my_flat_set.insert("banana");
  my_flat_set.insert("cherry");

  std::cout << "Flat Set (String Length):" << std::endl;
  for (const auto& element : my_flat_set) {
    std::cout << element << " ";
  }
  std::cout << std::endl << std::endl;

    // std::flat_map 预分配内存
  std::flat_map<int, std::string> my_flat_map;
  my_flat_map.reserve(100); // 预分配100个元素的空间

  for (int i = 0; i < 50; ++i) {
    my_flat_map[i] = "Value " + std::to_string(i);
  }

    // 使用 lower_bound 查找
  auto it = my_flat_map.lower_bound(25);
  if (it != my_flat_map.end()) {
      std::cout << "Lower bound of 25: " << it->first << " -> " << it->second << std::endl;
  }

  return 0;
}

总结：选择适合你的容器

std::flat_map 和 std::flat_set 是C++23中非常有用的新容器。它们在特定场景下可以提供更好的性能和更低的内存占用。但是，它们并不是万能的。在选择容器时，需要根据你的应用场景仔细权衡各种因素，选择最适合你的容器。

总而言之，std::flat_map 和 std::flat_set就像两位身怀绝技的新英雄，能不能在你的项目中大放异彩，就看你能不能用好他们了！希望今天的讲解能帮助你更好地了解这两个容器，并在实际应用中发挥它们的优势。

好了，今天的讲座就到这里，感谢各位观众老爷的观看！咱们下回再见！

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