【C++】容器篇（五）—— map和set的基本介绍
序言：
在之前，我们已经对STL中的 序列式容器 进行了相关的学习。本期，我将给大家介绍的则是另外一类容器 —— 关联式容器 ！！！
目录
（一）容器回顾
【顺序容器】
【关联式容器】
【容器适配器】
（二）键值对
（三）树形结构的关联式容器
1、set
1️⃣基本介绍
2️⃣set的使用
2、multiset
1️⃣ 基本介绍
2️⃣ multiset的使用
3、map
1️⃣基本介绍
2️⃣ map的使用
4、multimap
1️⃣基本介绍
2️⃣ multimap的使用
（四）在OJ中的使用
1、前k个高频单词
2、两个数组的交集
总结
（一）容器回顾
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 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？
接下来，我先带大家回顾一下有关容器的一些基本知识，帮助大家唤醒一些“远古”的记忆！
容器可以用于存放各种类型的数据（基本类型的变量，对象等）的数据结构，都是模板类：分为顺序容器、关联式容器、容器适配器三种类型，三种类型容器特性分别如下：
【顺序容器】
容器并非排序的，元素的插入位置同元素的值无关。包含 vector、deque、list，具体实现原理如下：
（1）vector 头文件
- 动态数组。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成。在尾端增删元素具有较佳的性能。
（2）deque 头文件
- 双向队列。元素在内存连续存放。随机存取任何元素都能在常数时间完成（仅次于vector）。在两端增删元素具有较佳的性能（大部分情况下是常数时间）
（3）list 头文件
- 双向链表。元素在内存不连续存放。在任何位置增删元素都能在常数时间完成。不支持随机存取。
【关联式容器】
而本期将要介绍的 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
元素是排序的；插入任何元素，都按相应的排序规则来确定其位置；在查找时具有非常好的性能；
通常以平衡二叉树的方式实现。包含set、multiset、map、multimap，具体实现原理如下：
（1）set/multiset 头文件
- set 即集合。set中不允许相同元素，multiset中允许存在相同元素。
（2）map/multimap 头文件
- map与set的不同在于map中存放的元素有且仅有两个成员变量，一个名为first,另一个名为second；
- map根据first值对元素从小到大排序，并可快速地根据first来检索元素。
【容器适配器】
封装了一些基本的容器，使之具备了新的函数功能，比如把deque封装一下变为一个具有stack功
能的数据结构。这新得到的数据结构就叫适配器。包含stack,queue,priority_queue，具体实现原
理如下：
（1）stack 头文件
- 栈是项的有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项只能是最进插入序列的项（栈顶的
- 项）；
- 后进先出
（2）queue 头文件
- 队列。插入只可以在尾部进行，删除、检索和修改只允许从头部进行；
- 先进先出
（3）priority_queue 头文件
- 优先级队列。内部维持某种有序，然后确保优先级最高的元素总是位于头部。最高优先级元素总是第一个出列
（二）键值对
在C++中，键值对是一种常见的数据结构，它将一个唯一的键与一个值相关联。提供了一种高效的方式来存储和检索数据。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。
【场景】
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.
键值对的定义可以采用不同的数据结构或语法表示，具体取决于所使用的编程语言或数据格式。
以下是一些常见的定义方式：
- C++关联容器示例：
std::map myMap;
myMap["apple"] = 10;
myMap["banana"] = 5; - JSON格式示例：
{
"name": "John",
"age": 30,
"city": "New York"
}- Python字典示例：
my_dict = {"key1": "value1", "key2": "value2", "key3": "value3"}- JavaScript对象示例：
var myObject = { key1: "value1", key2: "value2", key3: "value3" };【说明】
- 在以上示例中，“key1”、“key2"等都是键，对应的"value1”、"value2"等是对应的值；
- 你可以使用键值对来存储、访问和处理各种数据，根据具体编程语言和数据结构的不同，提供了丰富的函数和操作来操作和处理键值对。
而在SGI-STL中关于键值对的定义如下：
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)
{}
};
（三）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：
1、set
1️⃣基本介绍
- 官方链接如下：set文档介绍
简单点来说 set是按照一定次序存储元素的容器，且set中的元素不可以重复。具体的大家可以参照文档进行相应的学习。
2️⃣set的使用
set的模板参数列表：
【说明】
- T: set中存放元素的类型，实际在底层存储
- 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
接下来，我们简单的来使用下 set：
void test_set1()
{
set s1;
s1.insert(3);
s1.insert(1);
s1.insert(4);
s1.insert(2);
s1.insert(1);
s1.insert(2);
set::iterator it1 = s1.begin();
while (it1 != s1.end())
{
cout << *it1 << " ";
++it1;
}
cout << endl;
} 输出展示：
【说明】
- 首先，我们可以使用迭代器对其进行操作；
- 其次，我们验证了上述所说的 set中的元素不可以重复，可以发现结果自动进行了去重的操作
紧接着，此时我们就会想，既然可以使用迭代器，那么我们就可以知道 范围for 也可以使用：
有的小伙伴可能不知道迭代器和范围for的联系，接下来我简单的描述一下：
迭代器 和 范围for循环 都是在 C++ 中用于遍历容器（如数组、向量、映射等）中的元素的工具。它们之间存在联系和互补关系。
-
迭代器：迭代器是一个对象，用于遍历容器中的元素序列。通过迭代器，可以逐个访问容器中的元素，并进行增加、删除、修改等操作。C++ 标准库提供了多种类型的迭代器，如
begin()和end()返回的迭代器可以表示容器的起始和结束位置。迭代器可以使用*运算符来访问当前位置的值，也可以使用++运算符来移动到下一个位置。 -
范围for循环：范围for循环是一种简洁的语法形式，用于遍历容器中的元素。它可以自动处理迭代器的创建和递增，并以一种更直观的方式对容器中的元素进行访问。范围for循环的语法是
for (element : container)，其中element是用于存储当前元素的变量，container是要遍历的容器。在每次循环迭代中，element会被赋值为容器中的下一个元素，直到遍历完所有元素。
迭代器和范围for循环的联系在于，范围for循环在内部使用迭代器来实现对容器的遍历。范围for循环抽象了迭代器的创建和递增过程，使得代码更加简洁和易读。范围for循环适用于大多数情况下对容器进行遍历，并且不需要修改容器中的元素。而当需要更精细的控制和操作时，迭代器提供了更灵活的功能。
紧接着，在文档中介绍了 set中的元素不能在容器中修改。举例来验证一下：
【说明】
- 从上述图片中不难发现在C++的
set容器中，元素不允许直接修改； - set是一个有序的集合容器，它通常基于红黑树实现。红黑树是一种平衡二叉搜索树，用于维护元素的有序性。为了保持树的平衡和有序，set 中的元素在插入时按照特定规则被插入到合适的位置，并且不允许直接修改。
- 具体而言，当你在set 中插入一个元素时，该元素会被自动插入到正确的位置，以保持集合的有序性。红黑树的平衡性是通过左旋、右旋以及颜色调整等操作来维护的。直接修改元素的值可能导致元素位置不再准确，破坏了红黑树的性质，进而影响整个集合的有序性。
- 因此，在set 中，如果你需要修改一个元素，你需要先将该元素从集合中删除，然后再重新插入修改后的值。
【注意】
- 如果你需要对集合中的元素进行频繁的修改操作，可能 set 并不是最适合的容器选择；
- 相应地，可以考虑使用
unordered_set容器，它基于哈希表实现，并提供了快速的查找和修改元素的能力； - 在
unordered_set中，元素的位置是根据哈希函数计算得到的，而不是通过有序性进行维护，因此允许直接修改元素的值。
接下来，再给大家介绍一下关于 查找元素是否存在的操作。
举例：
void test_set2()
{
set s1;
s1.insert(3);
s1.insert(1);
s1.insert(4);
s1.insert(2);
s1.insert(1);
s1.insert(2);
int x;
while (cin >> x)
{
auto ret = s1.find(x);
if (ret != s1.end())
{
cout << "在" << endl;
}
else
{
cout << "不在" << endl;
}
}
} 输出显示：
- 除了上述方法，我们还可以使用 count函数来进行操作。具体如下：
if (s1.count(x))
{
cout << "在" << endl;
}
else
{
cout << "不在" << endl;
}输出显示：
2、multiset
- 链接如下：Multiple的文档介绍
1️⃣ 基本介绍
multiset 对比 set，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
2️⃣ multiset的使用
void test_set3()
{
multiset s1;
s1.insert(3);
s1.insert(1);
s1.insert(4);
s1.insert(2);
s1.insert(1);
s1.insert(2);
multiset::iterator it1 = s1.begin();
while (it1 != s1.end())
{
cout << *it1 << " ";
++it1;
}
cout << endl;
} 输出显示：
此时，对于在 set中进行的查找操作，在multiset中该如何表现呢？（因此存在重复的情况）
void test_set3()
{
multiset s1;
s1.insert(3);
s1.insert(1);
s1.insert(4);
s1.insert(1);
s1.insert(2);
s1.insert(1);
s1.insert(2);
s1.insert(1);
multiset::iterator it1 = s1.begin();
while (it1 != s1.end())
{
cout << *it1 << " ";
++it1;
}
cout << endl;
// 多个key，find中序的第一个key
auto ret = s1.find(1);
while (ret != s1.end() && *ret == 1)
{
cout << *ret << " ";
++ret;
}
cout << endl;
}
输出显示：
【说明】
需要注意的是，multiset 中的元素是按键的自然顺序存储的。当存在多个相同的键时，它们按照插入的顺序存储在容器中。使用 find 方法仅返回指向中序遍历的第一个key，而不能一次性找到所有具有相同键的元素。
其次，除了上述的操作之外，multiset 还可以使用 count函数来统计元素出现的次数：
对于其他的操作，在这里就不做过多的介绍。大家结合文档我相信各位都可以看懂的！！！
3、map
1️⃣基本介绍
- 链接如下：map的使用
【说明】
- 在正式的学习之前，先要了解在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:
2️⃣ map的使用
【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
接下来，我们简单的来使用下 map：
void test_map1()
{
map dict;
dict.insert(make_pair("insert", "排序"));
dict.insert(make_pair("count", "计数"));
dict.insert(make_pair("find", "查找"));
dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
dict.insert(make_pair("swap", "交换"));
map::iterator dt1 = dict.begin();
while (dt1 != dict.end())
{
cout << (*dt1).first << " ";
++dt1;
}
cout << endl;
} 输出显示：
【说明】
请注意，指针形式的输出在实际编码中可能不常见。通常，可以直接访问 std::pair 对象的成员变量，并以合适的方式打印出所需的内容。例如，cout << dt1->first << " "; 与 cout << (*dt1).first << " "; 是等效的。
- 具体如下：
接下来，带大家看个例子，让大家更加深入的理解：
【说明】
- 在 C++ 的
map容器中，每个键（key）都是唯一的。当你尝试插入一个已经存在的键时，插入操作会失败； map是一个关联容器，它按照键的顺序对元素进行排序，并且保持唯一键的特性。当你插入一个新的键值对时，map会自动根据键的顺序将其插入到合适的位置，如果已经存在相同的键，则插入失败。
接下来，我给大家讲一下 operator[] 。首先我先用一下这个，让大家直观的感受：
void test_map2()
{
string arr[] = { "西瓜", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉", "梨" };
map countMap;
for (auto& e : arr)
{
countMap[e]++;
}
for (auto& kv : countMap)
{
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
}
输出结果：
接下来，带大家详解这个operator[] ：
【解释】
在给定的代码中，this 是一个指向当前对象的指针（或引用），make_pair(k, mapped_type()) 创建一个键为 k，值为默认构造的 mapped_type 类型对象的 std::pair 对象。接下来，通过调用 insert 方法将这个 std::pair 对象插入到容器中，并获取插入结果的迭代器。
然后，通过解引用和成员访问操作符 .second，(*((this->insert(make_pair(k, mapped_type ()))).first)).second 表达式从插入结果的迭代器中获取对应元素的值。
其实文档给的有一点太复杂了，在这里我给出简化的版本，供大家参考：
V& operator[](const K& key)
{
pair ret = insert(make_pair(key, V()));
return ret.first->second;
} 接下来，有了上述operator[] 这样的功能，我们就可以使用其进行插入操作了。具体如下:
当我们有这样的代码时：
dict["left"]; // 插入
dict["right"] = "右边"; // 插入+修改
dict["string"] = "(字符串)"; // 修改
cout << dict["string"] << endl; // 查找
cout << dict["string"] << endl; // 查找输出展示：
接下来，我们通过调试看看：
【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
4、multimap
1️⃣基本介绍
- 链接如下：multimap的使用
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
2️⃣ 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(同学们可思考下为什么?)。
- 4. 使用时与map包含的头文件相同：
（四）在OJ中的使用
1、前k个高频单词
692. 前K个高频单词
class Solution {
public:
vector topKFrequent(vector& words, int k) {
map num;
for(auto e : words)
num[e]++;
//按照单词出现次数的逆序存储单词及其对应的出现次数
multimap> arry;
for(auto e : num)
{
arry.insert(make_pair(e.second, e.first));
}
vector res;
auto it = arry.begin();
for(int i = 0; i < k; i++)
{
res.push_back(it->second);
it++;
}
return res;
}
}; 输出结果：
2、两个数组的交集
349. 两个数组的交集
class Solution {
public:
vector intersection(vector& nums1, vector& nums2) {
unordered_set set1(nums1.begin(), nums1.end());
unordered_set set2(nums2.begin(), nums2.end());
vector intersection;
for (auto num : set1) {
if (set2.find(num) != set2.end()) {
intersection.push_back(num);
}
}
return intersection;
}
}; 输出结果：
总结
以上便是关于 map和set 的全部知识。感谢大家的观看与支持！！！