【C++】map & set

文章目录

• 1. 关联式容器
• 2. 键值对
• 3. 树形结构的关联式容器
• • 3.1 set
  • • 3.1.1 set 的介绍
    • 3.1.2 set 的使用
  • 3.2 map
  • • 3.2.1 map 的介绍
    • 3.2.2 map 的使用
  • 3.3 multiset
  • • 3.3.1 multuset 的介绍
    • 3.3.2 multiset 的使用
  • 3.4 multimap
  • • 3.4.1 multimap 的介绍
    • 3.4.2 multimap 的使用

1. 关联式容器

我们前面接触过 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关系，即通过该英文单词，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)
	{}
};

3. 树形结构的关联式容器

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容器：树形结构与哈希结构。树形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）作为底层结构，容器中的元素是一个有序的序列。下面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：。
7. set 中的元素不允许修改。
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

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

3. 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

4. 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 false
   size_type size() const	返回 set 中有效元素的个数

5. 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，实际插入的时 <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

6. set 的使用举例

   #include <set>
   
   void TestSet()
   {
   	// 用数组array中的元素构造set
   	int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0 };
   	set<int> s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
   	cout << s.size() << endl;
   	
   	// 正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可去重
   	for (auto& e : s)
   		cout << e << " ";
   	cout << endl;
   	
   	// 使用迭代器逆向打印set中的元素
   	for (auto it = s.rbegin(); it != s.rend(); ++it)
   		cout << *it << " ";
   	cout << endl;
   	
   	// set中值为3的元素出现了几次
   	cout << s.count(3) << endl;
   }
   

3.2 map

3.2.1 map 的介绍

map 文档介绍

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 通常用于排序和唯一的标识元素，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

   函数声明	功能介绍
   map()	构造一个空的 map

3. 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

4. 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

   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。

5. 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

   #include <string>
   #include <map>
   
   void TestMap()
   {
   	map<string, string> m;
   	
   	// 向map中插入元素的方式：
   	// 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用pair直接来构造键值对
   	m.insert(pair<string, string>("peach", "桃子"));
   	
   	// 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
   	m.insert(make_pair("banan", "香蕉"));
   	
   	// 借用operator[]向map中插入元素
   	/*
   	operator[]的原理是：
   		用<key, T()>构造一个键值对，然后调用insert()函数将该键值对插入到map中
   		如果key已经存在，插入失败，insert函数返回该key所在位置的迭代器
   		如果key不存在，插入成功，insert函数返回新插入元素所在位置的迭代器
   		operator[]函数最后将insert返回值键值对中的value返回
   	*/
   	// 将<"apple", "">插入map中，插入成功，返回value的引用，将“苹果”赋值给该引用结果，
   	m["apple"] = "苹果";
   	
   	// key不存在时抛异常
   	//m.at("waterme") = "水蜜桃";
   	cout << m.size() << endl;
   	
   	// 用迭代器去遍历map中的元素，可以得到一个按照key排序的序列
   	for (auto& e : m)
   		cout << e.first << "--->" << e.second << endl;
   	cout << endl;
   	
   	// map中的键值对key一定是唯一的，如果key存在将插入失败
   	auto ret = m.insert(make_pair("peach", "桃色"));
   	if (ret.second)
   		cout << "<peach, 桃色>不在map中, 已经插入" << endl;
   	else
   		cout << "键值为peach的元素已经存在：" << ret.first->first << "--->"
   		<< ret.first->second << " 插入失败" << endl;
   		
   	// 删除key为"apple"的元素
   	m.erase("apple");
   	
   	if (1 == m.count("apple"))
   		cout << "apple还在" << endl;
   	else
   		cout << "apple被吃了" << endl;
   }
   

【总结】

1. map 中的元素是键值对；
2. map 中的 key 是唯一的，并且不能修改；
3. 默认按照小于的方式对 key 进行比较；
4. map 中的元素如果用迭代器去遍历，可以得到一个有序的序列；
5. map 的底层为平衡搜索树（红黑树），查找效率比较高 ；
6. 支持 [] 操作符，operator[] 中实际进行插入查找。

3.3 multiset

3.3.1 multuset 的介绍

mulitset 文档介绍

翻译：

1. mulitset 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 中在底层中存储的是 <value, value> 的键值对。
2. multiset 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 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 。
7. multiset 的作用：可以对元素进行排序。

3.3.2 multiset 的使用

此处值简单演示 set 与 multiset 的不同，其他接口与 set 相同。

#include <set>

void TestSet()
{
	int array[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 7, 1, 1, 2, 2, 2 };
	// 注意：multiset在底层实际存储的是<int, int>的键值对
	multiset<int> s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto& e : s)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	return;
}

3.4 multimap

3.4.1 multimap 的介绍

multimap 文档介绍

翻译：

1. multimap 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 排序和唯一的标识元素，而映射的 value 存储与 key 关联内容。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。
4. 使用时与 map 包含的头文件相同。