Python 字典 (dictionary) 及 C++ STL map

作者：王一哲
日期：2023年8月7日

前言

Python 的字典 (dictionary) 及 C++ STL map 非常相似，都是關聯式的容器，利用 key 值存取資料，以下是兩種的使用方法。

Python 字典 (dictionary)

建立字典

語法為

字典 = {key1: value1, key2: value2, ...}

key 的資料格式通常用是整數或字串，如果使用字串要在前後加上引號，單引號或雙引號皆可，只要有成對使用即可。key 不能重複，每個 key 會對應到一筆資料，資料可以是任意的格式。例如以下的程式碼，a 是以字串作為 key，資料為整數；b 的 key 與資料皆為整數。

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
b = {1: 10, 2: 20, 3: 30, 4: 40, 5: 50}

由已存在的資料作為 key 建立字典

語法為

字典 = dict.fromkeys(keys, value)

例如以下的程式碼，以數組 keys 的內容作為 key，所有的資料皆為 1。

keys = ('A', 'B', 'C', 'D', 'E')
b = dict.fromkeys(keys, 1)

讀取資料

語法為

字典[key]

例如以下的程式碼，如果想要讀取 a 當中 key 為 "A" 的資料，以及讀取 b 當中 key 為 1 的資料，語法為

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
b = {1: 10, 2: 20, 3: 30, 4: 40, 5: 50}
print(a["A"])  # 印出 10
print(b[1])    # 印出 10

但如果 key 不存在，會回傳錯誤訊息 keyError 並停止程式。
另一種語法為 get

字典.get(key, key不存在時的預設回傳值)

如果 key不存在時的預設回傳值可省略，如果沒有設定會回傳 None。例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
tmp = a.get("A", -1)    # 回傳 10
tmp = a.pop("F", -1)    # key 不存在，回傳 -1
tmp = a.pop("F")        # key 不存在，回傳 None

新增或改變資料

語法為

字典[key] = 資料

如果 key 不存在會新增這個 key 對應的資料，如果 key 已存在會改變這個 key 對應的資料。例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
a["F"] = 60  # 新增資料 "F": 60
a["A"] = 70  # 改變資料 "A": 70

另一種語法是利用 update，由另一個字典物件更新資料，語法為

字典1.update(字典2)

如果字典2的 key 於字典1中不存在會新增這個 key 對應的資料，如果 key 已存在會改變這個 key 對應的資料。例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
b = {"F": 60, "G": 70, "H": 80}
a.update(b)  # a 的內容變為 {'A': 10, 'B': 20, 'C': 30, 'D': 40, 'E': 50, 'F': 60, 'G': 70, 'H': 80}
c = {"A": -10, "C": -30, "E": -50}
a.update(c)  # a 的內容變為 {'A': -10, 'B': 20, 'C': -30, 'D': 40, 'E': -50, 'F': 60, 'G': 70, 'H': 80}

列出所有的 key

語法為

字典.keys()

不需要加上任何參數，例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
print(a.keys())  # 印出 dict_keys(['A', 'B', 'C', 'D', 'E'])

列出所有的資料

語法為

字典.values()

不需要加上任何參數，例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
print(a.values())  # 印出 dict_values([10, 20, 30, 40, 50])

取得長度

使用內建的 len，語法為

len(字典)

不需要加上任何參數，回傳值格式為 int。例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
print(len(a))  # 印出 5

取得並移除指定的 key 及資料

語法為

字典.pop(key, key不存在時的預設回傳值)

如果沒有設定 key不存在時的預設回傳值，當 key 不存在時會回傳錯誤訊息 KeyError 並停止程式。例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
tmp = a.pop("E", None)  # 回傳 50，a 的內容變為 {'A': 10, 'B': 20, 'C': 30, 'D': 40}
tmp = a.pop("F", None)  # key 不存在，回傳 None
tmp = a.pop("F")        # key 不存在，回傳錯誤訊息 KeyError 並停止程式

取得並移除最後一筆資料

語法為

字典.popitem()

不需要任何參數，從字共中移除最後一筆資料，回傳值格式為數組 (tuple)，內容為 (key, 資料)。例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
tmp = a.popitem()  # 回傳 ('E', 50)，a 的內容變為 {'A': 10, 'B': 20, 'C': 30, 'D': 40}

清除所有資料

語法為

字典.clear()

不需要任何參數。

複製字典物件

語法為

字典2 = 字典1.copy()

不需要任何參數，將字典1複製到字典2。不要使用等號指定內容，如果這樣做，在字典2的內容時也會改變字典1的內容。例如以下的程式碼

a = {"A": 10, "B": 20, "C": 30, "D": 40, "E": 50}
b = a.copy()
b["A"] = -10  # a 的內容仍然為 {'A': 10, 'B': 20, 'C': 30, 'D': 40, 'E': 50}
c = a
c["A"] = -10  # a 的內容變為 {'A': -10, 'B': 20, 'C': 30, 'D': 40, 'E': 50}

C++ STL map 函式庫

要先引入函式庫，函式庫的官方說明書在此 cplusplus.com std::map。

#include <map>

建立 map

語法為

// 産生空的 map
map<key資料格式, value資料格式> 名稱;
// 由 map2 複製資料
map<key資料格式, value資料格式> 名稱 (map2名稱.begin(), map2名稱.end());
// 由 map2 複製資料
map<key資料格式, value資料格式> 名稱 (map2名稱);
// 産生 map 並指定資料，可以不加等號
map<key資料格式, value資料格式> 名稱 {{key1, value1}, {key2, value2}, ...};
map<key資料格式, value資料格式> 名稱 = {{key1, value1}, {key2, value2}, ...};
</code></pre>
可以使用所有內建的資料格式，例如 int、float、string、char，甚至也可以使用自訂的資料格式。例如以下的程式碼
<pre><code class="language-cpp">// a 是空的
map<char, int> a;
// b 的內容為 {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}}
map<char, int> b = {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}};
// 由 b 複製內容到 c
map<char, int> c (b);
// 由 b 複製內容到 d
map<char, int> d (b.begin(), b.end());

新增或改變資料

語法為

名稱[key] = 資料;

如果 key 不存在會新增這個 key 對應的資料，如果 key 已存在會改變這個 key 對應的資料。例如以下的程式碼。例如以下的程式碼

map<char, int> a;
a['A'] = 10;  // a 的內容變為 {{'A', 10}}
a['B'] = 20;  // a 的內容變為 {{'A', 10}, {'B', 20}}
a['C'] = 30;  // a 的內容變為 {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}}
a['D'] = 40;  // a 的內容變為 {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}}
a['E'] = 50;  // a 的內容變為 {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}}
a['A'] = -10; // a 的內容變為 {{'A', -10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}}

取出 key 對應的資料

語法有兩種

名稱[key];
名稱.at(key);

例如以下的程式碼

map<char, int> a {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}};
cout << a['A'] << "\n";    // 印出 10
cout << a.at('A') << "\n"; // 印出 10
cout << a['F'] << "\n";    // 'F' 沒有對應的值，印出 0
cout << a.at('F') << "\n"; // 'F' 沒有對應的值，回傳錯誤訊息 std::out_of_range 並中止程式

如果 key 不存在才填入資料

語法為

名稱.emplace(key, value);

例如以下的程式碼

map<char, int> a {{'A', 10}}; // a 的內容為 {{'A', 10}}
a.emplace('A', -10);          // a 的內容仍為 {{'A', 10}}
a.emplace('B', 20);           // a 的內容變為 {{'A', 10}, {'B', 20}}
a.emplace('C', 30);           // a 的內容變為 {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}}

也可以用 insert 及 pair 填入資料，語法為

名稱.insert(pair<key資料格式, value資料格式> (key, value));

接續上方的程式碼

a.insert(pair<char, int> ('D', 40));  // a 的內容變為 {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}}

迭代器 iterator

迭代器可以用來取得物件對應的記憶體位址，有以下幾種：

名稱.begin();  // 回傳起點位址
名稱.end();    // 回傳終點位址
名稱.rbegin(); // 回傳終點位址，由後向前向讀取資料
名稱.rend();   // 回傳起點位址，由後向前向讀取資料
名稱.cbegin(); // 回傳起點位址，回傳值為常數
名稱.cend();   // 回傳終點位址，回傳值為常數
名稱.crbegin();// 回傳終點位址，由後向前向讀取資料，回傳值為常數
名稱.crend();  // 回傳起點位址，由後向前向讀取資料，回傳值為常數

迭代器的變數名稱通常是 it，寫法有兩種，例如以下的程式碼

map<char, int> a = {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}};
map<char, int>::iterator it = a.begin();
auto it = a.begin();

但是 map::iterator 只能用在 begin()、end()，還是用 auto 會比較方便。如果要印出 key 寫成 it->first，如果要印出 value 寫成 it->second。如果要依序印出 map 中所有的 key 及 value，可以配合迭代器處理，例如以下的程式碼

map<char, int> a = {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}};
// 語法1
for(map<char, int>::iterator it = a.begin(); it != a.end(); it++) {
    cout << it->first << " " << it->second << "\n";
}
// 語法2
for(auto it = a.begin(); it != a.end(); it++) {
    cout << it->first << " " << it->second << "\n";
}
// 語法3
for(auto it = a.cbegin(); it != a.cend(); it++) {
    cout << it->first << " " << it->second << "\n";
}
// 語法4
cout << "rbegin" << "\n";
for(auto it = a.rbegin(); it != a.rend(); it++) {
    cout << it->first << " " << it->second << "\n";
}
// 語法5
cout << "crbegin" << "\n";
for(auto it = a.crbegin(); it != a.crend(); it++) {
    cout << it->first << " " << it->second << "\n";
}

語法1、2、3輸出皆為

A 10
B 20
C 30
D 40
E 50

語法4、5輸出皆為

E 50
D 40
C 30
B 20
A 10

回傳指定 key 對應位址的迭代器

語法為

auto it = 名稱.find(key);

另外有兩個工具，lower_bound 及 upper_bound，語法為

auto it = 名稱.lower_bound(key);
auto it = 名稱.upper_bound(key);  // 回傳的位置包含這個 key 

還有一個工具可以同時回傳指定 key 對應的 lower_bound 及 upper_bound，語法為

auto ret = 名稱.equal_range(key);

回傳值分為兩個部分，ret.first 為 lower_bound，ret.second 為 upper_bound。例如以下的程式碼

map<char, int> a = {{'A', 10}, {'B', 10}, {'C', 20}, {'D', 10}, {'E', 20}};
auto ret = a.equal_range('B');
cout << ret.first->first << " " << ret.first->second << "\n";   // 印出 B 10
cout << ret.second->first << " " << ret.second->second << "\n"; // 印出 C 20

刪除指定 key 或範圍的資料

語法為

名稱.erase(key);
名稱.erase(起點位址, 終點位址);

不包含終點位址。例如以下的程式碼

// 使用 find
map<char, int> a = {{'A', 10}, {'B', 20}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}};
a.erase('B');     // 刪除 'B' 及對應的資料，a 的內容變為 {'A', 10}, {'C', 30}, {'D', 40}, {'E', 50}}
auto it = a.find('C'), it2 = a.find('E');
a.erase(it, it2); // 刪除 'C'、'E' 之間的 key 及對應的資料，a 的內容變為 {'A', 10}, {'E', 50}}

// 使用 lower_bound 及 upper_bound
map<char, int> b = {{'A', 10}, {'B', 10}, {'C', 20}, {'D', 10}, {'E', 20}};
auto lower = b.lower_bound('B');
auto upper = b.upper_bound('D');
b.erase(lower, upper); // 刪除 'B'、'C'、'D' 及對應的資料，b 的內容變為 {'A', 10}, {'E', 50}}

清除所有資料

語法為

名稱.clear();

不需要加上任何參數，清空資料後 map 長度為 0。

交換兩個 map 的資料

語法為

名稱.swap(map2名稱);

檢查 map 是否為空

語法為

名稱.empty();

不需要加上任何參數，如果 map 是空的回傳 1，如果 map 中有資料回傳 0。

取得 map 長度

語法為

名稱.size();

不需要加上任何參數，回傳堆疊長度，格式為 size_t，沒有正負號的整數。

回傳 map 最大長度

語法為

名稱.max_size();

不需要任何參數，回傳值格式為 size_t，沒有正負號的整數。在我使用的系統中回傳值為 230584300921369395。

檢查輸入的項目是否在 map 中作為 key

語法為

名稱.count(項目);

例如以下的程式碼

map<char, int> a = {{'A', 10}, {'B', 10}, {'C', 20}, {'D', 10}, {'E', 20}};
cout << a.count('C') << "\n";  // 印出 1
cout << a.count('F') << "\n";  // 印出 0

結語

以上是我目前常用到的 Python 字典及 C++ STL map 功能，如果之後有遇到其它需求會再補充內容。

參考資料

1. https://www.w3schools.com/python/python_ref_dictionary.asp
2. cplusplus.com std::map

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HackMD 版本連結：https://hackmd.io/@yizhewang/SkmMGt2jn