C++map和set的介绍及使用

零、前言

本章主要讲解C++中的关联式容器map和set的介绍及其使用

一、关联式容器

• 容器分类：

1. 序列式容器：初阶阶段中学习过STL中的部分容器，如：vector、list、deque等，这些容器统称为序列式容器，因为其底层为线性序列的数据结构，里面存储的是元素本身

2. 关联式容器：关联式容器也是用来存储数据的，与序列式容器不同的是，其里面存储的是<key, value>结构的键值对（保存映射关系），在数据检索时比序列式容器效率更高

根据应用场景的不同，STL总共实现了两种不同结构的关联式式容器：树型结构与哈希结构

• 关联式容器：

关联式容器	容器结构	底层实现
set、map、multiset、multimap	树型结构	平衡搜索树（红黑树）
unordered_set、unordered_map、unordered_multiset、unordered_multimap	哈希结构	哈希表，哈希桶

二、键值对

• 概念：

用来表示具有一一对应关系的一种结构，该结构中一般只包含两个成员变量key和value，key代表键值，value表示与key对应的信息

• 示例：

现在要建立一个英汉互译的字典，那该字典中必然有英文单词与其对应的中文含义，而且，英文单词与其中文含义是一一对应的关系，即通过该应该单词，在词典中就可以找到与其对应的中文含义

• SGI-STL中关于键值对的定义：

template <class T1, class T2>
struct pair
{
    
    
typedef T1 first_type;
typedef T2 second_type;
T1 first;
T2 second;
pair(): first(T1()), second(T2())
{
    
    }
pair(const T1& a, const T2& b): first(a), second(b)
{
    
    }
};

三、C++中的set

1、set的介绍

• 概念：

1. set是按照一定次序存储元素的容器，这种次序使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列

   注：与map/multimap不同，map/multimap中存储的是真正的键值对<key, value>，set中只放value，但在底层实际存放的是由<value, value>构成的键值对

2. 在set中，元素的value也标识它(value就是key，类型为T)，set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对，并且每个value必须是唯一的（可以使用set进行去重）

   注：set中的元素不能在容器中修改(元素总是const，修改无法保证数据的次序)，但是可以从容器中插入或删除它们

3. 在内部，set中的元素总是按照其内部比较对象(类型比较)所指示的特定严格弱排序准则进行排序注：默认按照小于来比较，中序遍历后为升序序列

4. set容器通过key访问单个元素的速度通常比unordered_set容器慢，但它们允许根据顺序对子集进行直接迭代

5. set在底层是用二叉搜索树(红黑树)实现的

   注：接近完全二叉树，查找的时间复杂度为logN

2、set的使用

• set的模板参数列表：

• 解释：

1. T: set中存放元素的类型，实际在底层存储<value, value>的键值对

2. Compare：比较方法，set中元素默认按照小于来比较（中序遍历为升序）

3. Alloc：set中元素空间的管理方式，使用STL提供的空间配置器管理

注意：在使用set时，需要包含头文件set

• set的构造：

函数声明	功能介绍
set (const Compare& comp = Compare());	构造空的set
set (InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare());	用[first, last)区间 中的元素构造set
set ( const set<Key,Compare>& x);	set的拷贝构造

• 示例：

void testset1()
{
    
    
	set<int> set1;//空构造
	int num[] = {
    
     4,5,1,8,2,4,6,3 };
	set<int> set2(num, num+sizeof(num)/sizeof(num[0]));//对于数组使用原生指针构造
	set<int> set3(set2);//拷贝构造
	// 范围for打印，从打印结果中可以看出：set可去重
	for (auto& e : set3)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
}

• 结果：

• set的迭代器：

函数声明	功能介绍
iterator begin()	返回set中起始位置元素的迭代器
iterator end()	返回set中最后一个元素后面的迭代器
const_iterator cbegin() const	返回set中起始位置元素的const迭代器
const_iterator cend() const	返回set中最后一个元素后面的const迭代器
reverse_iterator rbegin()	返回set第一个元素的反向迭代器，即end
reverse_iterator rend()	返回set最后一个元素下一个位置的反向迭代器，即 rbegin
const_reverse_iterator crbegin() const	返回set第一个元素的反向const迭代器，即cend
const_reverse_iterator crend() const	返回set最后一个元素下一个位置的反向const迭代器， 即crbegin

• 示例：

void testset2()
{
    
    
	int num[] = {
    
     4,5,1,8,2,4,6,3 };
	set<int> set1(num, num + sizeof(num) / sizeof(num[0]));//对于数组使用原生指针构造
	// 范围for打印，从打印结果中可以看出：set可去重
	for (auto& e : set1)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	//迭代器正向遍历
	auto it1 = set1.begin();
	while (it1 != set1.end())
	{
    
    
		cout << *it1 << " ";
		it1++;
	}
	cout << endl;
	//迭代器反向遍历
	auto it2 = set1.rbegin();
	while (it2 != set1.rend())
	{
    
    
		cout << *it2 << " ";
		it2++;
	}
}

• 结果：

• set的容量：

函数声明	功能介绍
bool empty ( ) const	检测set是否为空，空返回true，否则返回true
size_type size() const	返回set中有效元素的个数

• set修改操作：

函数声明	功能介绍
pair<iterator,bool> insert ( const value_type& x )	在set中插入元素x，实际插入的是<x, x>构成的键值对， 如果插入成功，返回<该元素在set中的位置，true>,如果 插入失败，说明x在set中已经存在，返回<x在set中的位 置，false>
void erase ( iterator position )	删除set中position位置上的元素
size_type erase ( const key_type& x )	删除set中值为x的元素，返回删除的元素的个数
void erase ( iterator first, iterator last )	删除set中[first, last)区间中的元素
void swap ( set<Key,Compare,Allocator>& st );	交换set中的元素
void clear ( )	将set中的元素清空
iterator find ( const key_type& x ) const	返回set中值为x的元素的位置
size_type count ( const key_type& x ) const	返回set中值为x的元素的个数

• 示例：

void testset3()
{
    
    
	int num[] = {
    
     1,8,4,5,3,9,2,6,7,4,5 };
	set<int> set;
	for (int e : num)//插入
	{
    
    
		auto ret=set.insert(e);
		if (ret.second == false)
			cout << e << "插入失败" << endl;
	}
	for (auto& e : set)//遍历
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	cout << "count 5:" << set.count(5) << endl;
	set.erase(set.find(8));//删除
	for (auto& e : set)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
}

• 结果：

四、C++中的multiset

• multiset的介绍：

multiset容器与set容器实现和接口基本一致，唯一区别就是，multiset允许键值冗余，即multiset容器当中存储的元素是可以重复的

注意：对于find来说multiset返回底层搜索树中序的第一个键值为key的元素的迭代器

• 示例：

void TestMSet()
{
    
    
	int array[] = {
    
     2, 1, 2, 1, 6, 0, 1, 6, 4, 7 };
	// 允许键值冗余
	multiset<int> s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto& e : s)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
}

• 结果：

五、C++中的map

1、map的介绍

• 概念：

1. map是关联容器，它按照特定的次序(按照key来比较)存储由键值key和值value组合而成的元素

2. 在map中，键值key通常用于排序和惟一地标识元素，而值value中存储与此键值key关联的内容。键值key和值value的类型可能不同，并且在map的内部，key与value通过成员类型value_type绑定在一起，为其取别名称为pair:typedef pair value_type;

3. 在内部map中的元素总是按照键值key进行比较排序以及查找

4. map中通过键值访问单个元素的速度通常比unordered_map容器慢，但map允许根据顺序对元素进行直接迭代(即对map中的元素进行迭代时，可以得到一个有序的序列)

5. map支持下标访问符，即在[]中放入key，就可以找到与key对应的value（这里是在insert上的一个封装）

6. map通常被实现为二叉搜索树(更准确的说：平衡二叉搜索树(红黑树)

注：set和map基本差不多，但是set是k模型，而map是kv模型，这导致在部分地方又有些不一样

2、map的使用

• map的模板参数说明:

• 解释：

1. key: 键值对中key的类型

2. T： 键值对中value的类型

3. Compare: 比较器的类型，map中的元素是按照key来比较的，缺省情况下按照小于来比较，一般情况
   下(内置类型元素)该参数不需要传递，如果无法比较时(自定义类型)，需要用户自己显式传递比较规则
   (一般情况下按照函数指针或者仿函数来传递)

4. Alloc：通过空间配置器来申请底层空间，不需要用户传递，除非用户不想使用标准库提供的空间配置器

注意：在使用map时，需要包含头文件map

• map的构造：

函数声明	功能介绍
map (K,V);	构造空的map
map (InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare());	用[first, last)区间 中的元素构造map
map ( const map<Key,Value,Compare>& x);	map的拷贝构造

• 示例：

void testmap1()
{
    
    
	map<int, int> map1;//空构造
	int num[] = {
    
     1,5,9,4,8,2,3,1,5,4,5,7 };
	for (auto e : num)
	{
    
    
		map1.insert(make_pair(e,e));
	}
	map<int, int> map2(map1.begin(),map1.end());//迭代区间构造
	map<int, int> map3(map2);//拷贝构造
	for (auto& e : map3)
	{
    
    
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
}

• 结果：

• map的迭代器：

函数声明	功能介绍
begin()和end()	begin:首元素的位置，end最后一个元素的下一个位置
cbegin()和cend()	与begin和end意义相同，但cbegin和cend所指向的元素不能修改
rbegin()和rend()	反向迭代器，rbegin在end位置，rend在begin位置，其++和–操作与 begin和end操作移动相反
crbegin()和crend()	与rbegin和rend位置相同，操作相同，但crbegin和crend所指向的元 素不能修改

• 示例：

void testmap2()
{
    
    
	map<int, int> map1;//空构造
	int num[] = {
    
     1,5,9,4,8,2,3,1,5,4,5,7 };
	for (auto e : num)
	{
    
    
		//map1.insert(pair<int,int>(e, e));
		map1.insert(make_pair(e, e));//等同于
	}
	//迭代器正向遍历
	auto it1 = map1.begin();
	while (it1 != map1.end())
	{
    
    
		//cout << (*it1).first << ":"<<(*it1).second<<endl;
		cout << it1->first << ":"<<it1->second<<endl;//等同于
		it1++;
	}
	//迭代器反向遍历
	auto it2 = map1.rbegin();
	while (it2 != map1.rend())
	{
    
    
		cout << it2->first << ":" << it2->second << endl;//等同于
		it2++;
	}
}

• 结果：

• map的容量与元素访问：

函数声明	功能简介
bool empty ( ) const	检测map中的元素是否为空，是返回true，否则 返回false
size_type size() const	返回map中有效元素的个数
mapped_type& operator[] (const key_type& k)	返回key对应的value

• operator[]的使用：

• 解释：

在元素访问时，operator[]通过key找到与key对应的value然后返回其引用，当key不存在时，operator[]用默认value与key构造键值对然后插入，返回该默认value

• 示例：做统计

void testmap3()
{
    
    
	int arr[] = {
    
     1,4,8,5,9,6,4,2,9,6,4,1,8,5 };
	map<int, int, greater<int>> countmap;
	for (auto e : arr)
	{
    
    
		countmap[e]++;
		//当不存在对应key则插入键值pair(e,int()),这里的int()即是0 返回0再++
		//当存在对应key则返回对应的value，再++
	}
	auto it1 = countmap.begin();
	while (it1 != countmap.end())
	{
    
    
		//cout << (*it1).first << ":"<<(*it1).second<<endl;
		cout << it1->first << ":" << it1->second << endl;//等同于
		it1++;
	}
}

• 结果：

• map中元素的修改：

函数声明	功能简介
pair<iterator,bool> insert ( const value_type& x )	在map中插入键值对x，注意x是一个键值对，返回值 也是键值对：iterator代表新插入元素的位置，bool代 表释放插入成功
void erase ( iterator position )	删除position位置上的元素
size_type erase ( const key_type& x )	删除键值为x的元素
void erase ( iterator first, iterator last )	删除[first, last)区间中的元素
void swap ( map<Key,T,Compare,Allocator>& mp )	交换两个map中的元素
void clear ( )	将map中的元素清空
iterator find ( const key_type& x )	在map中插入key为x的元素，找到返回该元素的位置 的迭代器，否则返回end
const_iterator find ( const key_type& x ) const	在map中插入key为x的元素，找到返回该元素的位置 的const迭代器，否则返回cend
size_type count ( const key_type& x ) const	返回key为x的键值在map中的个数，注意map中key 是唯一的，因此该函数的返回值要么为0，要么为1，因 此也可以用该函数来检测一个key是否在map中

• 示例：

void testmap4()
{
    
    
	int num[] = {
    
     1,8,4,5,3,9,2,6,7,4,5 };
	map<int,int> map;
	for (int e : num)//插入
	{
    
    
		auto ret = map.insert(make_pair(e,e));
		if (ret.second == false)
			cout << e << "插入失败" << endl;
	}
	for (auto& e : map)//遍历
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	cout << "count 5:" << map.count(5) << endl;
	map.erase(map.find(8));//删除
	for (auto& e : map)//遍历
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
}

• 结果：

六、C++中的multimap

• multimap的介绍：

multimap容器与map容器的底层实现以及成员函数的接口都是基本一致，区别是multimap允许键值冗余，即multimap容器当中存储的元素是可以重复的

• 注意：

1. 对于find来说multimap返回底层搜索树中序的第一个键值为key的元素的迭代器

2. 由于multimap容器允许键值冗余，调用[ ]运算符重载函数时，应该返回键值为key的哪一个元素的value的引用存在歧义，因此在multimap容器当中没有实现[ ]运算符重载函数

• 示例：

void testMmap()
{
    
    
	multimap<int, string> mm;
	//允许键值冗余
	mm.insert(make_pair(2, "two"));
	mm.insert(make_pair(2, "double"));
	mm.insert(make_pair(2, "2"));
	mm.insert(make_pair(2, "second"));
	mm.insert(make_pair(1, "one"));
	mm.insert(make_pair(3, "three"));
	for (auto e : mm)
	{
    
    
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;
	//从第一个2找起，遍历到最后一个
	auto pos = mm.find(2);
	while (pos != mm.end() && pos->first == 2)
	{
    
    
		cout << pos->first << ":" << pos->second << endl;
		pos++;
	}
}

• 结果：