【C++ 学习 ㉑】- 详解 map 和 set（上）

目录

一、C++ STL 关联式容器

二、pair 类模板

三、set

3.1 - set 的基本介绍

3.2 - set 的成员函数

3.1.1 - 构造函数

3.1.2 - 迭代器

3.1.3 - 修改操作

3.1.4 - 其他操作

四、map

4.1 - map 的基本介绍

4.2 - map 的成员函数

4.2.1 - 迭代器

4.2.2 - operator[]

五、multiset

六、multimap

七、相关练习

7.1 - 有效的括号

7.2 - 复制带随机指针的链表

7.3 - 两个数组的交集

7.4 - 前K个高频单词

---

 

---

一、C++ STL 关联式容器

C++ 容器可以分为序列式容器和关联式容器，我们在前面的章节中对序列式容器（包括 array、vector、list、deque 和 forward_list）已经做了详细的介绍，下面，我们也将对 C++ STL 中的所有关联式容器做详细的介绍。

和序列式容器不同的是，使用关联式容器存储的元素都是一个一个的 "键值对"（），并且使用关联式容器存储的元素默认会根据各元素的键值 key 的大小做升序排序。

由于不同的应用场景，C++ STL 实现了树形结构和哈希结构的关联式容器。树形结构的关联式容器（包括 map、set、multimap、multiset）使用了平衡搜索树（即红黑树）作为其底层结构；哈希结构的关联式容器（包括 unordered_map、unordered_set、unordered_multimap、unordered_multise）则使用了哈希表作为其底层结构。

---

二、pair 类模板

我们知道，关联式容器存储的是 "键值对" 形式的数据，因为 "键值对" 并不是普通数据类型，所以 C++ STL 提供了 pair 类模板，并将其定义在 头文件中。

template < class T1, class T2 > struct pair; 

pair 类模板在 SGI-STL 版本中的实现：

#pragma once
​
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) {}
};
​
template
inline bool operator==(const pair& lhs, const pair& rhs)
{
    return lhs.first == rhs.first && lhs.second == rhs.second;
}
​
template
inline bool operator!=(const pair& lhs, const pair& rhs)
{
    return !(lhs == rhs);
}
​
template
inline bool operator<(const pair& lhs, const pair& rhs)
{
    return lhs.first < rhs.first ||
        (!(rhs.first < lhs.first) && lhs.second < rhs.second);
}
​
template
inline bool operator<=(const pair& lhs, const pair& rhs)
{
    return !(rhs < lhs);
}
​
template
inline bool operator>(const pair& lhs, const pair& rhs)
{
    return rhs < lhs;
}
​
template
inline bool operator>=(const pair& lhs, const pair& rhs)
{
    return !(lhs < rhs);
}
​
template
inline pair make_pair(const T1& x, const T2& y)
{
    return pair(x, y);
}

---

三、set

3.1 - set 的基本介绍

set 容器以类模板的形式定义在 头文件中，并位于 std 命名空间中。

template < class T,                        // set::key_type/value_type
           class Compare = less,        // set::key_compare/value_compare
           class Alloc = allocator      // set::allocator_type
           > class set;

set 是按照特定次序存储唯一元素的容器。

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（元素始终是 const），但可以在容器中插入或删除它们。

在内部，set 中的元素始终按照其内部比较对象（类型为 Compare）指定的特定严格弱序标准（strict weak ordering criterion）进行排序。

set 容器通过 key 访问单个元素的速度通常比 unorder_sort 容器慢，但是 set 容器允许根据子集的顺序直接迭代子集。

set 底层是用二叉搜索树（红黑树）实现的。

3.2 - set 的成员函数

3.1.1 - 构造函数

empty (1) explicit set(const key_compare& comp = key_compare(),
                       const allocator_type& alloc = allocator_type());
range (2) template
            set ;
 copy (3) set(const set& x);

1. 默认构造函数：构造一个没有元素的空容器。

2. 范围构造函数：用 [first, last) 区间中的元素构造一个容器。

3. 拷贝构造函数。

3.1.2 - 迭代器

示例：

#include 
#include 
using namespace std;
​
int main()
{
    int arr[] = { 75, 23, 65, 42, 13 };
    int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    set s(arr, arr + sz);
​
    set::iterator it = s.begin();
    while (it != s.end())
    {
        // *it = 0;  // error
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    // 13 23 42 65 75
    cout << endl;
​
    set::reverse_iterator rit = s.rbegin();
    while (rit != s.rend())
    {
        // *rit = 0;  // error
        cout << *rit << " ";
        ++rit;
    }
    // 75 65 42 23 13
    cout << endl;
    return 0;
}

注意：set 容器的迭代器类型为双向迭代器，并且 iterator 等价于 const_iterator，reverse_iterator 等价于 const_reverse_iterator。

这样就避免修改 set 容器中的元素。

3.1.3 - 修改操作

insert：

single element (1) pair insert(const value_type& val);
     with hint (2) iterator insert(iterator position, const value_type& val);
         range (3) template
                    void insert(InputIterator first, InputIterator last);

注意：在 set 中插入 val，实际上插入的是 构成的键值对。

因为 set 中的元素都是唯一的，所以在插入操作中会检查每个插入的元素是否重复，如果是，则不插入该元素。

而允许插入重复元素的类似容器是 multiset。

返回值：

1. 如果插入成功，即插入的元素不重复，返回 pair<指向新插入的元素的迭代器, true>；如果插入失败，即插入的元素重复，返回 pair<指向 set 中已有的等效元素的迭代器, false>。

2. 返回一个迭代器，它指向新插入的元素，或者指向 set 中已有的等效的元素。

erase：

(1)      void erase(iterator position);
(2) size_type erase(const value_type& val);
(3)      void erase(iterator first, iterator last);

swap：

void swap(set& x);

clear：

void clear();

示例：

#include 
#include 
using namespace std;
​
int main()
{
    set s;
    s.insert(75);
    s.insert(23);
    s.insert(65);
    s.insert(42);
    cout << s.insert(13).second << endl;  // 1（说明插入成功）
    cout << s.insert(13).second << endl;  // 0（说明插入失败）
    cout << s.size() << endl;  // 5
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 13 23 42 65 75
    cout << endl;
    return 0;
}

3.1.4 - 其他操作

find：

iterator find(const value_type& val) const;

count：

size_type count(const value_type& val) const;

返回 set 中值为 val 的元素的个数。

因为 set 中的元素都是唯一的，所以返回值只能是 1（元素找到了） 或 0（元素没找到）。

lower_bound：

iterator lower_bound(const value_type& val) const;

upper_bound：

iterator upper_bound(const value_type& val) const;

equal_range：

pair equal_range(const value_type& val) const;

因为 set 中的元素都是唯一的，所以返回的范围中最多包含一个元素。

示例：

#include 
#include 
using namespace std;
​
int main()
{
    set s;
    for (int i = 1; i < 10; ++i)
    {
        s.insert(i * 10);
    }
​
    set::iterator pos = s.find(10);
    if (pos != s.end())
        s.erase(pos);
​
    if (s.count(20))  // 等价于 s.find(20) != s.end()
        cout << "元素找到了" << endl;
    else
        cout << "元素不存在" << endl;
    // 元素找到了
​
    // lower_bound 返回指向第一个 >= val 的元素的迭代器
    set::iterator itlow = s.lower_bound(30); 
    // upper_bound 返回指向第一个 > val 的元素的迭代器
    set::iterator itup = s.upper_bound(60);
    cout << *itlow << endl;  // 40
    cout << *itup << endl;  // 70
    s.erase(itlow, itup);
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 20 70 80 90
    cout << endl;
​
    cout << *s.equal_range(20).first << endl;  // 20
    cout << *s.equal_range(20).second << endl;  // 70
    return 0;
}

---

四、map

4.1 - map 的基本介绍

map 容器以类模板的形式定义在

template < class Key,                                     // map::key_type
           class T,                                       // map::mapped_type
           class Compare = less,                     // map::key_compare
           class Alloc = allocator >    // map::allocator_type
           > class map;

map 是关联式容器，它按照特定次序存储由键值 key 和值 value 组合而成的元素。

在 map 中，key 用于排序和唯一地标识元素，而 value 中存储与此 key 关联的内容。key 和 value 的类型可能不同，它们通过成员类型 value_type 绑定在一起：

typedef pair value_type;

在内部，map 中的元素始终按照其内部比较对象（类型为 Compare）指定的严格弱排序标准（strict weak ordering criterion）通过 key 进行排序。

map 容器通过 key 访问单个元素的速度通常比 unordered_map 容器慢，但它允许根据子集的顺序直接迭代子集。

使用 [] 可以直接通过 key 找到对应的 value。

map 底层是用二叉树搜索树（红黑树）实现的。

4.2 - map 的成员函数

4.2.1 - 迭代器

示例：

#include 

map 容器的迭代器类型为双向迭代器。

4.2.2 - operator[]

mapped_type& operator[](const key_type& k);

1. 如果 k 与容器中的某个元素的 key 匹配，函数则返回该元素的 key 对应的 value 的引用。

2. 如果 k 与容器中所有元素的 key 都不匹配，函数则将插入键值为 k 的新元素，并返回其对应的 value 的引用（使用默认构造函数构造出来的）。

即：

mapped_type& operator[](const key_type& k)
{
    std::pair x = insert(make_pair(k, mapped_type()));
    return x.first->second;
}

示例：

#include 

---

五、multiset

multiset 容器以类模板的形式定义在 头文件中，并位于 std 命名空间中。

template < class T,                        // multiset::key_type/value_type
           class Compare = less,        // multiset::key_compare/value_compare
           class Alloc = allocator >    // multiset::allocator_type
           > class multiset;

和 set 容器不同的是，multiset 容器中的元素可以重复。

示例：

#include 
#include 
using namespace std;
​
int main()
{
    multiset s;
    s.insert(5);
    s.insert(3);
    s.insert(8);
    s.insert(7);
    s.insert(7);
    s.insert(9);
    s.insert(7);
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 3 5 7 7 7 8 9
    cout << endl;
​
    cout << s.count(7) << endl;  // 3
​
    auto ret = s.equal_range(7);
    auto itlow = ret.first;
    auto itup = ret.second;
    cout << *itlow << endl;  // 7
    cout << *itup << endl;  // 8
    s.erase(itlow, itup);
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 3 5 8 9
    cout << endl;
    return 0;
}

---

六、multimap

multimap 容器以类模板的形式定义在

template < class Key,                                     // multimap::key_type
           class T,                                       // multimap::mapped_type
           class Compare = less,                     // multimap::key_compare
           class Alloc = allocator >    // multimap::allocator_type
           > class multimap;

和 map 容器不同的是，mutimap 容器中的元素的 key 可以是重复的，因此 multimap 没有重载 operator[]。

示例：

#include 

---

七、相关练习

7.1 - 有效的括号

class Solution {
public:
    bool isValid(string s) {
        stack st;
        map matchMap;
        matchMap['('] = ')';
        matchMap['['] = ']';
        matchMap['{'] = '}';
​
        for (const auto& ch : s)
        {
            if (matchMap.count(ch))  
            {
                st.push(ch);  // 左括号入栈
            }
            else
            {
                if (st.empty())
                    return false;
                
                if (ch != matchMap[st.top()])  // 右括号去匹配栈顶的左括号
                    return false;
                else
                    st.pop();
            }
        }
        return st.empty();
    }
};

7.2 - 复制带随机指针的链表

class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        Node* cur = head;
        Node* copyHead = nullptr;
        Node* copyTail = copyHead;
        map curCopyMap;
        while (cur)
        {
            Node* copy = new Node(cur->val);
            curCopyMap[cur] = copy;
​
            if (copyHead == nullptr)
            {
                copyHead = copyTail = copy;
            }
            else
            {
                copyTail->next = copy;
                copyTail = copyTail->next;
            }
            cur = cur->next;
        }
​
        cur = head;
        copyTail = copyHead;
        while (cur)
        {
            if (cur->random == nullptr)
            {
                copyTail->random = nullptr;
            }
            else
            {
                copyTail->random = curCopyMap[cur->random];
            }
            cur = cur->next;
            copyTail = copyTail->next;
        }
        return copyHead;
    }
};

7.3 - 两个数组的交集

class Solution {
public:
    vector intersection(vector& nums1, vector& nums2) {
        // 去重
        set s1(nums1.begin(), nums1.end());
        set s2(nums2.begin(), nums2.end());
        // 求交集
        vector ret;
        set::iterator it1 = s1.begin();
        set::iterator it2 = s2.begin();
        while (it1 != s1.end() && it2 != s2.end())
        {
            if (*it1 < *it2)
            {
                ++it1;
            }
            else if (*it2 < *it1)
            {
                ++it2;
            }
            else
            {
                ret.push_back(*it1);
                ++it1;
                ++it2;
            }
        }
        return ret;
    }
};

拓展：如何求 nums1 和 nums2 的差集？

首先仍然是去重，然后和求交集不同的是，当按序比较两个数组中的元素时，值较小的元素属于差集，相等的两个元素则跳过。

7.4 - 前K个高频单词

class Solution {
public:
    struct Greater 
    {
        bool operator()(const pair& lhs, const pair& rhs)
        {
            return lhs.second > rhs.second;
        }
    };
​
    vector topKFrequent(vector& words, int k) 
    {
        map countMap;
        for (const auto& e : words)
        {
            ++countMap[e];
        }
​
        vector> v(countMap.begin(), countMap.end());  
        // 注意：
        // 因为 v 已经按字典顺序排好序了，
        // 所以此时只需要按单词出现的频率由高到低进行（稳定）排序即可。
        stable_sort(v.begin(), v.end(), Greater());
​
        vector ret;
        for (int i = 0; i < k; ++i)
        {
            ret.push_back(v[i].first);
        } 
        return ret;
    }
};

因为 map 的迭代器类型为双向迭代器，无法使用 sort，所以只能借助 vector 进行排序。

又因为当不同的单词有相同的出现频率时，按字典顺序排序，所以必须使用稳定排序，即 stable_sort。