【C++】STL之树形结构的关联式容器 ----- map和multimap

根据应用场景的不同，STL总共实现了两种不同结构的管理式容器：树形结构和哈希结构。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）作为其底层结果，容器中的元素是一个有序的序列。

关联式容器

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，其里面存储的是结构的键值对，在数据检索时比序列式容器效率更高。

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)
	{}
};

map

map的介绍

map的文档简介

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
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))。

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），需要用户自己显示传递比较规则（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(const key_compare& comp = key_ compare(), const allocator_type& alloc = allocator_type())	构造一个空的map
template map(InputIterator first, InputIterator last, const key_compare& comp = key_compare(), const allocator_type& alloc = allocator_type())	用[first, last)区间中的元素构造map
map(const map& x)	map的拷贝函数

#include
#include

void TestMap()
{
	//key和value的类型都给成字符串
	map<string, string> m1;

	//C++11的类表初始化
	map<string, string> m2
	{
		{ "apple", "苹果" },
		{ "banana", "香蕉" },
		{ "orange", "橘子" },
		{ "peach", "桃子" },
		{ "watermelon", "西瓜" }
	};
	cout << m2["apple"] << endl;
	cout << m2["watermelon"] << endl;
	map<string, string> m3(m2);
}

3、map的迭代器

函数申明	功能简介
iterator begin()	返回第一个元素的位置
iterator end()	返回最后一个元素的下一个位置
const_iterator begin() const	返回第一个元素的const迭代器
const_iterator end() const	返回最后一个元素下一个位置的const迭代器
reverse_iterator rbegin()	返回第一个元素位置的反向迭代器即rend
reverse_iterator rend()	返回最后一个元素下一个位置的反向迭代器即rbegin
const_reverse_iterator rbegin() const	返回第一个元素位置的const反向迭代器即rend
const_reverse_iterator rend() const	返回最后一个元素下一个位置的const反向迭代器即rbegin

#include
#include

void TestMap()
{
	map<string, string> m
	{
		{ "apple", "苹果" },
		{ "banana", "香蕉" },
		{ "orange", "橘子" },
		{ "peach", "桃子" },
		{ "watermelon", "西瓜" }
	};

	for (auto it = m.begin(); it != m.end(); ++it)
		cout << (*it).first << "--->" << it->second << endl;
	cout << endl;
}

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)	返回去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。

#include
#include

void TestMap()
{
	//构造一个空的map，此时m中一个元素都没有
	map<string, string> m;

	/*
	operator[]的原理是：
		用构造一个键值对，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
	//即修改与"apple"对应的value" "为“苹果”
	m["apple"] = "苹果";

	//将<"apple", "">插入map中，插入失败，将<"apple", "苹果">中的"苹果"返回
	cout << m["apple"] << endl;
	cout << m.size() << endl;

	//"banana不在map中，该函数抛异常"
	m.at("banana");
}

5、map中元素的修改

函数声明	功能简介
pair 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
iterator insert(iterator position, const value_type& x)	在position位置插入值为x的键值对，返回该键值对在map中位置，注意：元素不一定必须插在position位置，该位置只是一个参考
template void insert(InputIterator first, InputIterator last)	在map中插入[first, last)区间中的元素
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& 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
#include

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("banana", "香蕉"));

	//借用operator[]向map中插入元素
	m["apple"] = "苹果";

	//key不存在时抛异常
	//m.at("watermelon") = "西瓜";
	m.insert(m.find("banana"), make_pair("watermelon", "西瓜"));
	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 << "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");
	for (auto& e : m)
		cout << e.first << "---->" << e.second << endl;

	if (1 == m.count("apple"))
		cout << "apple还在" << endl;
	else
		cout << "apple被吃了" << endl;
}

6、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。

multimap

multimap的介绍

multimap文档介绍

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，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。

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。

void TestMultimap1()
{
	multimap<string, string> m;
	m.insert(make_pair("李逵", "黑旋风"));
	m.insert(make_pair("林冲", "豹子头"));
	m.insert(make_pair("鲁达", "花和尚"));

	//尝试插入key相同的元素
	m.insert(make_pair("李逵", "铁牛"));
	cout << m.size() << endl;

	for (auto& e : m)
	{
		cout << "<" << e.first << "," << e.second << ">" << endl;
	}
	//key为李逵的元素有多少个
	cout << m.count("李逵") << endl;
}

void TestMultimap2()
{
	multimap<int, int> m;
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
		m.insert(pair<int, int>(i, i));

	for (auto& e : m)
		cout << e.first << "--->" << e.second << endl;
	cout << endl;

	//返回m中大于等于5的第一个元素
	auto it = m.lower_bound(5);
	cout << it->first << "--->" << it->second << endl;

	//返回m中大于5的元素
	it = m.upper_bound(5);
	cout << it->first << "--->" << it->second << endl;
}