pair

pair

基本概念

什么是 pair

pair 是一个模板类，它可以将两个任意类型的数据组合在一起，使它们形成一个整体

通常用法为 std::pair<T1, T2>，其中 T1 和 T2 表示两个不同的数据类型

pair 常用在需要将两个数据捆绑在一起的场景，比如表示键值对、坐标点、返回多个结果等等，它将两个值放在一起，使得它们可以一起传递或存储

为什么需要 pair

数据关联：

在编程时，经常会遇到需要把两个紧密相关的数据放在一起的情况

例如，在实现哈希表或关联容器（如 std::map、std::unordered_map）时，键和值总是配对出现，pair 这种数据结构就可以很好地解决这个问题

方便返回多个值：

在函数中，当你需要返回两个相关联的结果时，可以用 pair 作为返回值，而不必额外定义结构体

代码简洁：

使用 pair 能够避免重复定义额外的数据结构，从而使代码更加简洁和直观

定义与构造

头文件和命名空间

要使用 pair，你需要包含头文件 <utility>

pair 定义在标准命名空间 std 下，使用时通常写为 std::pair

构造方法

pair 提供多种构造方式，主要包括：

默认构造函数：

std::pair<int, double> p1;

这会创建一个 pair 对象，其中第一个元素和第二个元素会分别调用各自类型的默认构造函数

值初始化构造函数：

std::pair<int, double> p2(10, 3.14);

这样就直接将第一个元素设为 10，第二个元素设为 3.14

使用 std::make_pair 函数：

std::make_pair 是一个便利函数，用于根据提供的值自动推断类型并构造 pair

auto p3 = std::make_pair(20, "Hello");

这里 p3 的类型将被自动推断为 std::pair<int, const char*> 或类似类型

拷贝构造和移动构造：

pair 也支持从另一个 pair 对象的拷贝或移动构造，这在需要传递或返回 pair 时非常方便

成员变量

pair 有两个公开成员变量：

• first： 表示 pair 中的第一个元素

• second： 表示 pair 中的第二个元素

它们可以直接访问和修改，例如：

std::pair<int, std::string> p(1, "Alice");
std::cout << p.first << " " << p.second << std::endl; // 输出：1 Alice
p.first = 2;
p.second = "Bob";

常见操作和用法

比较操作

pair 重载了比较运算符，使得你可以直接比较两个 pair：

相等比较：

两个 pair 相等当且仅当它们的 first 和 second 都相等

std::pair<int, int> a(1, 2);
std::pair<int, int> b(1, 2);
if(a == b) { /* 相等 */ }

大小比较：

比较时先比较 first，如果 first 相等，再比较 second

这就使得 pair 能用于排序和作为关联容器的键

应用示例

作为函数返回值：

当函数需要返回两个关联的数据时，可以用 pair 作为返回值：

std::pair<int, int> getMinMax(const std::vector<int>& nums)
{
    int minVal = nums[0];
    int maxVal = nums[0];

    for (int x : nums)
    {
        if (x < minVal) minVal = x;
        if (x > maxVal) maxVal = x;
    }

    return std::make_pair(minVal, maxVal);
}

调用时可以使用：

auto result = getMinMax({3, 7, 2, 9});
std::cout << "最小值: " << result.first << ", 最大值: " << result.second << std::endl;

在 STL 容器中使用 pair：

std::map 和 std::unordered_map 内部就使用了 pair 来存储键值对

例如：

std::map<std::string, int> ages;
ages.insert(std::make_pair("Alice", 30));
ages["Bob"] = 25;

这种场景下，pair 存储了 “名字-年龄” 这样的关联关系

与结构化绑定（C++17）搭配使用：

C++17 引入了结构化绑定，你可以非常方便地解构 pair：

auto [minVal, maxVal] = getMinMax({3, 7, 2, 9});
std::cout << "Min: " << minVal << ", Max: " << maxVal << std::endl;

这里的 getMinMax 函数是上面的示例中的一个函数，这里是表示通过结构化绑定，可以不用再用 first 和 second 这两个成员来访问元素，而是直接解构

进阶应用

嵌套的 pair

你可以将 pair 嵌套在一起，用于存储更复杂的数据结构：

std::pair<int, std::pair<std::string, double>> info;
info.first = 1;
info.second.first = "Product";
info.second.second = 99.99;

这种嵌套结构在需要表达多层次数据时比较有用，虽然可读性不如自定义结构体，但有时可以减少额外类型定义

与其他数据结构的结合

与 vector：

常常会用 vector<pair<T1, T2>> 来保存一系列的关联数据，比如表示点的集合、边信息等

std::vector<std::pair<int, int>> edges;
edges.push_back(std::make_pair(1, 2));
edges.push_back({2, 3});  // C++11 的初始化语法

与算法：

可以利用 pair 的比较运算符直接对含有 pair 的容器进行排序

例如，排序一组 (键, 值) 对，默认会先按键排序，再按值排序

优点与局限性

优点

简单高效：

pair 直接嵌入了两个数据，不需要额外的方法就能很方便地存储和访问数据

通用性：

适用于保存任何两个相关联的数据，类型无须相同，可以是任意数据类型

STL 支持：

在 C++ 标准库中有广泛应用，很多标准容器和算法都依赖 pair

局限性

数据量固定：

pair 只能容纳两个数据，如果需要存储更多数据，可能需要使用 tuple（元组）或者自定义结构体

语义表达力有限：

pair 只有两个成员，命名为 first 和 second，语义上较为抽象

如果两个元素的含义不够明确，代码可读性可能降低，此时自定义结构体并给成员起有意义的名字可能更好

总结

pair 是 C++ 中一种简单却功能强大的数据结构，用于将两个关联的数据捆绑在一起

它：

• 定义在 <utility> 头文件中

• 可以通过 std::make_pair 等方便函数构造

• 具有直观的成员变量 first 与 second 来存储各自的数据

• 广泛应用于 STL 容器、函数返回值、排序、解构等场景