c++中的map和set

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，即通过查找该单词，在词典中就可以找到与其对应的中文含义。

3. 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。下面依次介绍每一个容器。

3.1 set

3.1.1 set的介绍

set文档介绍
要点：

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：

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：$lo{g}_{2}n$
7. set中的元素不允许修改(为什么?)
8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

3.1.2 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

函数声明	功能介绍
set (const Compare& comp = Compare(), const Allocator&= Allocator() );	构造空的set
set (InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare(), const Allocator& = Allocator() );	用[first, last)区间中的元素构造set
set ( const set& x);	set的拷贝构造

代码例子如下：

#include
#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v;
	for (int i = 10; i >= 0; --i)
	{
		v.push_back(i);
	}
	set<int> s1;
	set<int> s2(v.begin(), v.end());
	set<int> s3 = s2;
	for (auto e : s3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

 	return 0;
}

编译结果为：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3. set的迭代器

函数声明	功能介绍
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

代码如下：

#include
#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v;
	for (int i = 10; i >= 0; --i)
	{
		v.push_back(i);
	}
	set<int> s(v.begin(), v.end());
	set<int>::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	set<int>::const_iterator tp = s.begin();
	while (tp != s.end())
	{
		cout << *tp << " ";
		++tp;
	}
	cout << endl;

	set<int>::reverse_iterator sp = s.rbegin();
	while (sp != s.rend())
	{
		cout << *sp << " ";
		++sp;
	}
	cout << endl;
	set<int>::const_reverse_iterator sh = s.rbegin();
	while (sh != s.rend())
	{
		cout << *sh << " ";
		++sh;
	}
	cout << endl;
	set<int>::const_reverse_iterator ssh = s.crbegin();
	while (ssh != s.crend())
	{
		cout << *ssh << " ";
		++ssh;
	}

	return 0;
}

4. set的容量

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

代码如下：

int main()
{
	vector<int> v;
	for (int i = 10; i >= 0; --i)
	{
		v.push_back(i);
	}
	set<int> s1;
	set<int> s2(v.begin(), v.end());
	set<int> s3 = s2;
	for (auto e : s3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	cout << s1.empty() << endl;
	cout << s3.empty() << endl;
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s3.size() << endl;

 	return 0;
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1
0
0
11

5. set修改操作

函数声明	功能介绍
pair insert (const value_type& x )	在set中插入元素x，实际插入的是构成的键值对，如果插入成功，返回<该元素在set中的位置，true>,如果插入失败，说明x在set中已经存在，返回
void erase ( iterator position )	删除set中position位置上的元素
size_type erase ( const key_type& x )	删除set中值为x的元素，返回删除的元素的个数
void erase ( iterator first,iterator last )	删除set中[first, last)区间中的元素
void swap (set&st )	交换set中的元素
void clear ( )	将set中的元素清空
iterator find ( const key_type& x ) const	返回set中值为x的元素的位置
size_type count ( const key_type& x ) const	返回set中值为x的元素的个数

set的使用具体：

#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
	/*srand(time(0));*/
	vector<int> v1;
	/*for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		int tmp = rand();
		v1.push_back(tmp);
	}*/
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		v1.push_back(10 - i);
	}
	set<int> s1(v1.begin(), v1.end());
	//v里面元素为：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
	
	cout << s1.insert(5).second << endl;
	//5存在，插入失败，第二个位置返回false(0);
	
	cout << *s1.insert(5).first << endl;
	//第一个位置返回指向5位置所在的迭代器，故打印时需要解引用（*）；
	s1.erase(5);//删除第五个元素，即为5
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}

	cout << endl;//5已经被删除
	s1.insert(100);
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	cout << s1.erase(100) << endl;//删除set中对应类型的元素，删除100；返回被删除的个数1
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	s1.erase(++s1.begin(), --s1.end());//除了头尾全部删除
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6 };
	set<int> first(arr, arr + 3);
	set<int> second(arr + 3, arr + 6);
	first.swap(second);//直接交换两个set中的元素
	for (auto e : first)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	second.clear();
	cout << second.empty() << endl;
	cout << *first.find(5) << endl;//返回的是指向5的迭代器，进行解引用打印输出。
	cout << first.count(7) << endl;//返回7的个数，为零个。

	return 0;
}

运行结果如下：

0
5
1 2 3 4 6 7 8 9 10
1 2 3 4 6 7 8 9 10 100
1
1 2 3 4 6 7 8 9 10
1 10
4 5 6
1
5
0

3.2 map

3.2.1 map的介绍

map的文档介绍
要点：

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))。

3.2.2 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

函数声明	功能介绍
map()	构造一个空的map

3. map的迭代器

函数声明	功能介绍
begin() 和end()	begin:首元素的位置，end最后一个元素的下一个位置
cbegin() +cend()	与begin和end意义相同，但cbegin和cend所指向的元素不能修改
rbegin()+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()+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

代码如下：

#include
#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	map<string, int> mp1;
	mp1["jiejie"] = 24;
	mp1["knight"] = 23;
	mp1["369"] = 21;
	map<string, int>::iterator it = mp1.begin();
	while (it != mp1.end())
	{
		cout << it->first << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	map<string, int>::const_iterator tp = mp1.cbegin();
	//cbegin() 和 cend() 返回的是 const 迭代器，这意味着你不能通过这些迭代器更改容器中的元素。
	//如果你需要更改容器中的元素，你应该使用 begin() 和 end() 函数，它们返回的是非 const 迭代器。
	while (tp != mp1.cend())
	{
		cout << tp->first << " ";
		++tp;
	}
	cout << endl;
	map<string, int>::reverse_iterator r1 = mp1.rbegin();
	while (r1 != mp1.rend())
	{
		cout << r1->first << " ";
		++r1;
	}
	cout << endl;
	map<string, int>::const_reverse_iterator d1 = mp1.crbegin();
	while (d1 != mp1.crend())
	{
		cout << d1->first << " ";
		d1++;
	}
	return 0;
}

运行结果如下：

369 jiejie knight
369 jiejie knight
knight jiejie 369
knight jiejie 369

4. map的容量与元素访问

函数声明	功能介绍
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

示例代码如下：

#include
#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	map<string, int> mp;
	cout << mp.empty() << endl;//1:为空
	mp.insert(make_pair("jiejie", 2021));
	cout << mp.size() << endl;//1个
	mp["ning"] = 2018;
//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？
//如果 k 与容器中元素的键匹配，则该函数返回对其映射值的引用。
	mp["leave"];
//如果 k 与容器中任何元素的键不匹配，则该函数将插入具有该键的新元素，并返回对其映射值的引用。
//请注意，这始终将容器大小增加 1，即使没有为元素分配映射值(默认为零，就像上面添加的leave一样)
	//（元素是使用其默认构造函数构造的）。
	for (auto e : mp)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}

	return 0;
}

运行结果如下：

1
1
jiejie:2021
leave:0
ning:2018

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

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
void erase ( iterator position )	删除position位置上的元素
size_type erase ( constkey_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

代码如下：

#include
#include
#include
using namespace std;

#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("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;
}

int main()
{
	TestMap();

	return 0;
}

运行结果如下：

3
apple--->苹果
banan--->香蕉
peach--->桃子

键值为peach的元素已经存在：peach--->桃子 插入失败
apple被吃了

【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$O(lo{g}_{2}N)$
6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

3.3 multiset

3.3.1 multiset的介绍

multiset文档介绍
要点：

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：
6. multiset中再底层中存储的是的键值对
7. mtltiset的插入接口中只需要插入即可
8. 与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set中value是唯一的
9. 使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列
10. multiset中的元素不能修改
11. 在multiset中找某个元素，时间复杂度为$O(lo{g}_{2}N)$
12. multiset的作用：可以对元素进行排序

3.3.2 multiset的使用

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

#include
#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	int array[] = { 1,4,3,9,6,4,5,7,7,3 };

	multiset<int> s1(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto& e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

运行结果如下：

1 3 3 4 4 5 6 7 7 9

3.4 multimap

3.4.1 multimap的介绍

multimap文档介绍
总结：

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 value>，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。

3.4.2 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，因为：对于std::multimap来说，关键的问题是它允许多个相同的键。因此，对于给定的键，你可能会有多个不同的值。在这种情况下，使用operator[]可能会产生混淆。
4. 使用时与map包含的头文件相同。

#include
#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	multimap<string, string> mp;//multimap中的key是const类型的
	//不可修改。
	mp.insert(make_pair<const string,string>("chinese", "中国人"));
	mp.insert(make_pair < const string, string>("chinese", "中文"));
	mp.insert(make_pair < const string, string>("hello", "你好"));
	for (auto e : mp)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}

	return 0;
}

运行结果：

chinese:中国人
chinese:中文
hello:你好