C++进阶—map、set及multimap、multiset（1）

 

目录

1.关联式容器

2. 键值对

3. 树形结构的关联式容器

4. set

4.1 set的介绍

4.2 set的使用

1. set的模板参数列表

2. set的构造

3. set的迭代器

4. set的容量 

5. set修改操作

6. set的使用举例

5. map

5.1 map的介绍

5.2 map的使用

1. map的模板参数说明

2. map的构造

3. map的迭代器

4. map的容量与元素访问

5. map中元素的修改

6. map使用举例

6. multiset

6.1 multiset的介绍

6.2 multiset的使用

7. multimap

7.1 multimap的介绍

7.2 multimap的使用

8. 在OJ中的使用

8.1 前K个高频单词

 方法1—TopK问题（使用优先级队列）：

方法2—重写仿函数，转换为vector，使用sort：

方法3—最优使用multimap：

8.2 两个数组的交集

 方法1—使用set去重搜索：

方法2—算法思想，去重排序后，找交集：

9. 底层结构

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1.关联式容器

在初阶阶段，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 
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。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。

4. set

4.1 set的介绍

set文档介绍

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：

• 与map/multimap不同，map/multimap中存储的是真正的键值对，set中只放 value，但在底层实际存放的是由构成的键值对。
• set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。
• set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)。
• 使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列
• set中的元素默认按照小于来比较
• set中查找某个元素，时间复杂度为：$log_2 n$
• set中的元素不允许修改(为什么?)
• set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

4.2 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修改操作

 

C++11 emplace：

Construct and insert element：

        构造和插入元素如果唯一，则在集合中插入一个新元素。这个新元素是使用args作为其构造的参数来就地构造的。只有当容器中没有其他元素与被插入的元素相等时，才会进行插入(set容器中的元素是唯一的)。如果插入，这将有效地将容器大小增加1。在内部，set容器按照其比较对象指定的标准对其所有元素进行排序。元素总是按照这个顺序插入到相应的位置。该元素是通过调用allocator_traits::construct来就地构造的，并将参数转发。存在一个类似的成员函数insert，它复制或移动现有对象到容器中。

Return value：

        如果函数成功插入元素(因为集合中不存在等效元素)，则函数返回一对指向新插入元素的迭代器，并返回值true。否则，它返回一个指向容器内等效元素的迭代器，并返回值false。成员类型迭代器是指向元素的双向迭代器类型。Pair是在中声明的类模板(参见Pair)。

 

6. set的使用举例

	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 s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array));
		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;
	}

	void test2() {
		std::set myset;
		std::set::iterator itlow, itup;

		for (int i = 1; i < 10; i++) myset.insert(i * 10); // 10 20 30 40 50 60 70 80 90

		itlow = myset.lower_bound(30);                //       ^
		itup = myset.upper_bound(60);                 //                   ^

		myset.erase(itlow, itup);                     // 10 20 70 80 90

		std::cout << "myset contains:";
		for (std::set::iterator it = myset.begin(); it != myset.end(); ++it)
			std::cout << ' ' << *it;
		std::cout << '\n';
	}

5. map

5.1 map的介绍

map文档介绍

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: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))。

5.2 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。

5. map中元素的修改

 6. map使用举例

	void test_map1() {
		map dict;
		dict.insert(pair("InsertSort", "插入排序"));
		dict.insert(pair("ShellSort", "希尔排序"));
		dict.insert(make_pair("MergeSort", "归并排序"));
		dict.insert(make_pair("QuickSort", "快速排序"));
		for (auto& e : dict) {
			printf("[key - %s,value - %s]\t", e.first.c_str(), e.second.c_str());
		}
		cout << endl;
		map::iterator mapObj = dict.find("ShellSort");
		if (mapObj != dict.end()) {
			printf("find it :: [key - %s,value - %s]\n", mapObj->first.c_str(), mapObj->second.c_str());
		}
		auto isSuceessInsert = dict.insert(pair("QuickSort", "快速排序"));
		if (isSuceessInsert.second == false) { 
			cout << "inset fail" << endl;
		}
		else {
			cout << "insert success" << endl;
		}
		cout << dict["InsertSort"] << endl;
	}

	void test_map2() {
		string arr[] = { "香蕉","苹果","香蕉","西瓜","苹果","香蕉","苹果","梨","香蕉","梨","橘子" };
		map countFruit;
		for (auto& str : arr) {
			countFruit[str]++;
		}
		for (auto& e : countFruit) {
			printf("[key - %s,value - %d]\t", e.first.c_str(), e.second);
		}
		cout << endl;
	}

【总结】

1. map中的的元素是键值对
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$O(log_2 N)$
6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

6. multiset

6.1 multiset的介绍

multiset文档介绍

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

6.2 multiset的使用

此处只简单演示set与multiset的不同

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

7. multimap

7.1 multimap的介绍

multimap文档介绍

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，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 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。

7.2 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(为什么?)。
4. 使用时与map包含的头文件相同：

8. 在OJ中的使用

8.1 前K个高频单词

 方法1—TopK问题（使用优先级队列）：

namespace std{
    template<>
    class less>{
    public:
        bool operator()(const pair& kv1, const pair kv2) const {
            if(kv1.second < kv2.second || (kv1.second == kv2.second && kv1.first > kv2.first)){
                return true;
            }
            return false;
        }
    };
}
class Solution {
public:
    vector topKFrequent(vector& words, int k) {
        map countMap;
        for(auto& e : words){
            countMap[e]++;
        }
        typedef priority_queue> MaxHeap;
        MaxHeap mh(countMap.begin(), countMap.end());
        vector v;
        while(k--){
            v.push_back(mh.top().first);
            mh.pop();
        }
        return v;
    }
};

方法2—重写仿函数，转换为vector，使用sort：

namespace std{
    template<>
    class greater>{
    public:
        bool operator()(const pair& kv1, const pair kv2) const {
            if(kv1.second > kv2.second || (kv1.second == kv2.second && kv1.first < kv2.first)){
                return true;
            }
            return false;
        }
    };
}
class Solution {
public: 
    vector topKFrequent(vector& words, int k) {
        map countMap;
        for(auto& e : words){
            countMap[e]++;
        }
        // typedef priority_queue> MaxHeap;
        // MaxHeap mh(countMap.begin(), countMap.end());
        // vector v;
        // while(k--){
        //     v.push_back(mh.top().first);
        //     mh.pop(); 
        // }
        vector> sortV(countMap.begin(),countMap.end());
        sort(sortV.begin(),sortV.end(),greater>());
        vector v;
        for(int i = 0; i < k; ++i){
            v.push_back(sortV[i].first);
        }
        return v;
    }
};

方法3—最优使用multimap：

class Solution {
public:
    vector topKFrequent(vector& words, int k) {
        map dict;
        for(auto& e : words){
            dict[e]++;
        }

        multimap> mdict;
        for(auto& e: dict){
            mdict.insert(make_pair(e.second,e.first));
        }
        auto mit = mdict.begin();
        vector v;
        while(k--){
            v.push_back(mit->second);
            mit++;
        }
        return v;
    }
};

8.2 两个数组的交集

 方法1—使用set去重搜索：

class Solution {
public:
    vector intersection(vector& nums1, vector& nums2) {
        set s1(nums1.begin(),nums1.end());
        set s2(nums2.begin(),nums2.end());
        vector v;

        auto it = s1.begin();
        while(it != s1.end()){
            auto fit = s2.find(*it);
            if(fit != s2.end()){
                v.push_back(*fit);
            }
            it++;
        }
        return v;
    }
};

方法2—算法思想，去重排序后，找交集：

class Solution {
public:
    vector intersection(vector& nums1, vector& nums2) {
        set s1(nums1.begin(),nums1.end());
        set s2(nums2.begin(),nums2.end());
        vector v;

        auto it1 = s1.begin();
        auto it2 = s2.begin();
        //去重排序后————找交集
        while(it1 != s1.end() && it2 != s2.end()){
            if(*it1 < *it2){
                it1++;
            }else if(*it1 > *it2){
                it2++;
            }else{
                v.push_back(*it1);
                it1++;
                it2++;
            }
        }
        return v;
    }
};

9. 底层结构

前面对map/multimap/set/multiset进行了简单的介绍，在其文档介绍中发现，这几个容器有个 共同点是：其底层都是按照二叉搜索树来实现的，但是二叉搜索树有其自身的缺陷，假如往树中插入的元素有序或者接近有序，二叉搜索树就会退化成单支树，时间复杂度会退化成O(N)，因此 map、set等关联式容器的底层结构是对二叉树进行了平衡处理，即采用平衡树来实现。