C++ STL中 set和map介绍以及使用方法

一、序列式容器和关联式容器

1. 序列式容器

在前面，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。

2. 关联式容器

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。

二、键值对和树形结构的关联式容器

1. 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，即通过该应该单词，在词典中就可以找到与其对应的中文含义。
例如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)
	{}
};

2. 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。

三、set和multiset

1、set

1.1 set的介绍

set的介绍:

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。

【注意事项】

1. 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。
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：O($lo{g}_{2}n$)
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。

1.2 set的使用

1.2.1 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。

1.2.2 set的构造

构造函数	功能介绍
set ( )	构造空的set
set (first, last)	用[first, last)区间中的元素构造set
set ( const set& x)	set的拷贝构造

1.2.3 set的迭代器

函数声明	功能
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

1.2.4 set的容量

函数声明	功能介绍
empty	检测set是否为空，空返回true，否则返回true
size	返回set中有效元素的个数

1.2.5 set修改操作

函数声明	功能介绍
insert	在set中插入元素x，实际插入的是构成的键值对，返回值是键值对 <迭代器，bool>
erase	删除set中position位置上的元素; 删除set中值为x的元素，返回删除的元素的个数; 删除set中[first, last)区间中的元素
swap	交换set中的元素
clear	将set中的元素清空
find	返回set中值为x的元素的位置
count	返回set中值为x的元素的个数

1.2.6 set的使用举例

#include
using namespace std;
#include 

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;
	for (auto e : array)
		s.insert(e);

	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;
}

int main()
{
	TestSet();

	return 0;
}

结果：

2. multiset

2.1 multiset的介绍

multiset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)。

【注意事项】

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
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 O$(lo{g}_{2}N)$
7. multiset可以对元素进行排序

2.2 multiset的使用

此处只简单演示set与multiset的不同，其他接口接口与set相同，可参考set。

void testMultiset()
{
	int array[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 2, 1, 3, 3, 3, 7 };

	// 注意：multiset在底层实际存储的是的键值对
	multiset<int> s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto& e : s)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
}

int main()
{
	testMultiset();

	return 0;
}

结果：

四、map和multimap

1. map

1.1 map的介绍

map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: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))。

1.2 map的使用

1.2.1 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

1.2.2 map的构造

构造函数	说明
map()	构造一个空的map
map (first , last)	用[first, last)区间中的元素构造map
map (const map& x)	拷贝构造

1.2.3 map的迭代器

函数声明	功能介绍
begin()和end()	begin指向首元素的位置，end指向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

1.2.4 map的容量与元素访问

函数声明	功能简介
empty ()	检测map中的元素是否为空，是返回true，否则返回false
size()	返回map中有效元素的个数
operator[]	返回去key对应的value
at	返回key对应的value

注意：在元素访问时，operator[] 和 at()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。

1.2.5 map中元素的修改

函数声明	功能简介
insert	在map中插入键值对x，返回值也是键值对，其中iterator代表新插入元素的位置，bool代表释放插入成功
erase	删除position位置上的元素；删除键值为x的元素；删除[first, last)区间中的元素
swap	交换两个map中的元素
clear	将map中的元素清空
find	在map寻找value为x的元素，找到返回该元素的位置的迭代器，否则返回 end
count	返回key为x的键值在map中的个数，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

1.2.6 map举例

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 << "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;
}

结果：

2. multimap

2.1 multimap的介绍

multimap的介绍：

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。

2.2 multimap的使用

multimap中的接口可以参考map，功能都是类似的。
【注意事项】

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