C++：map和set的介绍及使用

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1. 关联式容器

在之前文章中，我们已经接触过STL中的部分容器，比如：vector、list、deque、forward_list(C++11)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。那什么是关联式容器？它与序列式容器有什么区别？

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，在数据检索时比序列式容器效率更高。

2. 键值对

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。比如：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)
    {}
};

这个类我们下面会经常用到。 下面这个接口也会用到，会帮我们创建 pair 键值对。

//make_pair 会自动推出类型
	template<class T1,class T2>
	pair<T1, T2> make_pair(T1 x, T2 y)
	{
		return pair<T1, T2>(x, y);
	}

3. 树形结构的关联式容器

根据应用场景的不桶，STL总共实现了两种不同结构的管理式容器：树型结构与哈希结构。本篇文章讲解一下树形结构，哈希结构我们后面文章会讲。树型结构的关联式容器主要有四种：map、set、multimap、multiset。这四种容器的共同点是：使用平衡搜索树(即红黑树)作为其底层结果，容器中的元素是一个有序的序列。下面一依次介绍每一个容器。

3.1 set

3.1.1 set的介绍

set文档介绍

翻译：

1. set是按照一定次序存储元素的容器
2. 在set中，元素的value也标识它(value就是key，类型为T)，并且每个value必须是唯一的。set中的元素不能在容器中修改(元素总是const)，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。
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。

注意：

1. 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. set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。
3. set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)。
4. 使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列
5. set中的元素默认按照小于来比较
6. set中查找某个元素，时间复杂度为：$log_2 n$
7. set中的元素不允许修改，因为修改会就可能不再是一个二叉搜索树了。
8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

3.1.2 set的使用

1. set的模板参数列表

• T: set中存放元素的类型，实际在底层存储<value, value>的键值对。
• Compare：set中元素默认按照小于来比较
• 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

2. set的构造

3. set的迭代器

4. set的容量

5. set的修改操作

6. set的举例使用

void test1()
{
	//查找在不在
	//排序+去重
	set<int> s;//底层红黑树，是二叉搜索树
	s.insert(5);
	s.insert(2);
	s.insert(6);
	s.insert(1);
	s.insert(2);//二叉搜索树不能有相同的值，已经有的不再插入，返回pair<iterator,bool>
	auto ret1 = s.insert(6);
	cout << ret1.second << endl;

	pair<set<int>::iterator, bool> ret2 = s.insert(6);
	cout << ret1.second << endl;

	set<int>::iterator it = s.begin();//中序遍历
	while (it != s.end())
	{
		//*it = 10;set不支持修改
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	s.erase(2);//直接删除
	//迭代器删除
	set<int>::iterator it1 = s.find(3);//找不到返回s.end()
	if (it1 != s.end())
	{
		s.erase(it1);//s.erase(s.end())程序会崩溃
		//迭代器删除成功后会返回1 size_type 即 size_t
		//失败返回0
	}

	if (s.count(3))//返回val的个数，0表示没有
	{
		cout << "3存在" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "3不在" << endl;
	}


	//支持迭代器就支持范围for
	for (auto& x : s)
	{
		cout << x << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test2()
{
	set<int> myset;
	set<int>::iterator itlow, itup;
	for (int i = 1; i < 10; i++)
	{
		myset.insert(i*10);
	}
	//10 20 30 40 50 60 70 80 90
    //可以去官方文档中查看下面函数的定义
	//itlow = myset.lower_bound(30);
	itlow = myset.lower_bound(25);//返回大于等于>=val值位置的迭代器
	//itup = myset.upper_bound(60);//迭代器区间左闭右开，返回的是70的位置
	itup = myset.upper_bound(65);//返回大于>val值位置的迭代器，还是返回70的位置

	myset.erase(itlow, itup);//删除迭代器区间

	for (auto& x : myset)
	{
		cout << x << " ";//10 20 80 90
	}
	cout << endl;
}

void test3()
{
	set<int> myset;
	set<int>::iterator itlow, itup;
	for (int i = 1; i <= 5; i++)
	{
		myset.insert(i * 10);
	}

	pair<set<int>::iterator, set<int>::iterator> ret;
	//ret = myset.equal_range(30);//[30,40）
	ret = myset.equal_range(35);//[40,40）

	cout << "the lower bound points to:" << *ret.first << endl;//    >=val
	cout << "the upper bound points to:" << *ret.second << endl;//   > val

}

3.2 map

3.2.1 map的介绍

map的文档简介

翻译：

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<const key, T> value_type;
3. 在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的。
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。
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))。

3.2.2 map的使用

1. map的模板参数说明

• key: 键值对中key的类型
• T： 键值对中value的类型
• 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)
• 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。

2. map的构造

3. map的迭代器

4. map的容量与元素访问

问题：当key不在map中时，通过operator获取对应value时会发生什么问题？

注意：在元素访问时，有一个与operator[]类似的操作at()(该函数不常用)函数，都是通过key找到与key对应的value然后返回其引用，不同的是：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，at()函数直接抛异常。

这里就可以理解为什么insert返回pair<iterator,bool>，bool返回是否插入成功，然后利用第一个返回值可以确定插入或查找到元素的位置，然后可以读取这个位置的value.

5. map元素的修改

6.使用示例：

void test5()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));//pair<> 匿名对象
	dict.insert(pair<string, string>("insert", "插入"));
	dict.insert(pair<const char*, const char*>("left", "左边"));//Insert的参数是size_type                   类型 匿名对象调用构造函数，变成 size_type 类型
    //会将char*转换为stirng类型
  	dict.insert(make_pair("right", "右边"));//推荐这种写法
	string s1("xxxx"), s2("yyyy");
	dict.insert(make_pair(s1, s2));
	//make_pair 会自动推出类型
	//template<class T1,class T2>
	//pair<T1, T2> make_pair(T1 x, T2 y)
	//{
	//	return pair<T1, T2>(x, y);
	//}

	map<string, string>::iterator it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
		cout << it.operator->()->first << ":" << it->second << endl;
		//it.operator->() 返回pair类型的指针
		it++;
	}

	for (auto& x : dict)
	{
		//x.frist += 'x';
		x.second += 'x';//second 能修改，frist不能修改
		cout << x.first << ":" << x.second << endl;
	}

	dict["erase"];//插入，返回pair的second的引用
	cout << dict["erase"] << endl;//查找
	dict["erase"] = "删除"; //修改
	cout << dict["erase"] << endl;
	dict["test"] = "测试";//插入+修改
	dict["left"] = "左边，剩余";//修改

}

//统计个数
void test6()
{
	string arr[] = { "香蕉","苹果","香蕉","葡萄","苹果","香蕉","葡萄","西瓜","苹果","橘子","橘子","葡萄","苹果","香蕉","梨","苹果","香蕉","橘子" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& x : arr)
	{
	/*	map<string, int>::iterator it = countMap.find(x);
		if (it != countMap.end())
		{
			it->second++;
		}
		else
		{
			countMap.insert(make_pair(x, 1));
		}*/

		countMap[x]++;//给一个key，返回一个value的引用
		//  multimap不支持[]
	}
	for (auto& x : countMap)
	{
		cout << x.first << ":" << x.second << endl;
	}
}

3.3 multiset

3.3.1 multiset的介绍

multiset文章介绍

翻译：

1. multiset是按照特定顺序存储元素的容器，其中元素是可以重复的。
2. 在multiset中，元素的value也会识别它(因为multiset中本身存储的就是<value, value>组成的键值对，因此value本身就是key，key就是value，类型为T). multiset元素的值不能在容器中进行修改(因为元素总是const的)，但可以从容器中插入或删除。
3. 在内部，multiset中的元素总是按照其内部比较规则(类型比较)所指示的特定严格弱排序准则进行排序。
4. multiset容器通过key访问单个元素的速度通常比unordered_multiset容器慢，但当使用迭代器遍历时会得到一个有序序列。
5. multiset底层结构为二叉搜索树(红黑树)。

注意：

1. multiset中再底层中存储的是<value, value>的键值对
2. mtltiset的插入接口中只需要插入即可
3. 与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的
4. 使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列
5. multiset中的元素不能修改
6. 在multiset中找某个元素，时间复杂度为$O(log_2 N)$
7. multiset的作用：可以对元素进行排序

3.3.2 multiset的使用

此处只简单演示set与multiset的不同，其他接口接口与set相同，同学们可参考set。

void test4()
{
	//排序
	//比根大放左边和右边都一样
	multiset<int> s;//书中可以有相同的值
	s.insert(5);
	s.insert(2);
	s.insert(6);
	s.insert(6);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(2);

	multiset<int>::iterator it = s.begin();//中序遍历
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;


	for (auto& x : s)
	{
		cout << x << " ";
	}
	cout << endl;

	//如果有多个相同的值，find返回中序的第一个val
	it = s.find(2);//返回哪一个2？
	while (it != s.end())//返回中序的第一个2
	{ 
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	cout << "1的个数:" << s.count(1) << endl;//这个接口对set意义不大


	pair<multiset<int>::iterator, multiset<int>::iterator> ret;
	ret = s.equal_range(2);//这个接口对于set意义不大
	//[>=2,>2)
	//s.erase(ret.first, ret.second);//删除相等的值

	size_t num = s.erase(2);//也可以删除全部的2
	cout << "删除2的个数:" << num << endl;
	//返回删除的几个值，可以理解为什么返回的是size_t ，而不是bool

	for (auto& x : s)
	{
		cout << x << " ";
	}
	cout << endl;
}

3.4 multimap

3.4.1 multimap的介绍

multimap文档介绍

翻译：

1. Multimaps是关联式容器，它按照特定的顺序，存储由key和value映射成的键值对<key,value>，其中多个键值对之间的key是可以重复的。
2. 在multimap中，通常按照key排序和惟一地标识元素，而映射的value存储与key关联的内容。key和value的类型可能不同，通过multimap内部的成员类型value_type组合在一起，value_type是组合key和value的键值对:typedef pair<const Key, T> value_type;
3. 在内部，multimap中的元素总是通过其内部比较对象，按照指定的特定严格弱排序标准对key进行排序的。
4. multimap通过key访问单个元素的速度通常比unordered_multimap容器慢，但是使用迭代器直接遍历multimap中的元素可以得到关于key有序的序列。
5. multimap在底层用二叉搜索树(红黑树)来实现。注意：multimap和map的唯一不同就是：map中的key是唯一的，而multimap中key是可以重复的。

3.4.2 multimap的使用

multimap中的接口可以参考map，功能都是类似的。

注意：

1. multimap中的key是可以重复的。
2. multimap中的元素默认将key按照小于来比较
3. multimap中没有重载operator[]操作，因为会有多个相同的key。
4. 使用时与map包含的头文件相同。
    

void test7()
{
	multimap<string, string> dict;//允许键值冗余
	dict.insert(make_pair("left", "左边"));
	dict.insert(make_pair("left", "剩余"));//map不会修改
	for (auto& x : dict)
	{
		cout << x.first << ":" << x.second << endl;
	}
	 
}

本篇结束！