【C++】map与set

​内容专栏：C/C++编程
本文概括：关联式容器的介绍、set、multiset、map、multimap。
本文作者：阿四啊
发布时间：2023.11.27

一、关联式容器的介绍

在之前C++的学习之中，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。
那么什么是关联式容器？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$<key,value>$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

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 与value，key代表键值，value表示与key对应的信息。比如：在上一章节二插搜索树BStree的kv模型，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。
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)
{}
};

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。其中哈希结构我们会在下次讲到。树形结构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

注：
1.set是按照一定次序存储元素的容器。
2. 与map/multimap不同，map/multimap中存储的是真正的键值对$<key,value>$，set中只放value，但在底层实际存放的是由$<value,value>$构成的键值对。
3. 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(元素一直被const修饰)，但是可以从容器中插入或删除它们。
4. 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。set中的元素默认按照小于来比较。
5. set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。
6. 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。
7. set在底层是用二叉搜索树*(红黑树)实现的。
8. set查找元素的时间复杂度接近于完全二叉树，为：$O(lo{g}_{2}N)$

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, constCompare& 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

void test_set1()
{
	set<int> s1; // 构造空的set
	int a[] = { 6, 9, 5, 2, 10, 4, 6, 1, 5, 8, 3, 1, 7 };
	set<int> s2(a, a + sizeof a / sizeof * a);//利用数组a的区间中的元素进行构造set
	set<int> s3(s2);//拷贝构造

	//范围for循环遍历
	for (auto& e : s3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	//结果：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
	//说明set能够去重
}

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

void test_set2()
{
	int a[] = { 6, 9, 5, 2, 10, 4, 6, 1, 5, 8, 3, 1, 7 };
	set<int> s(a, a + sizeof a / sizeof * a);//利用数组a的区间中的元素进行构造set

	//正向迭代器遍历
	set<int>::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	//反向迭代器遍历
	set<int>::reverse_iterator rit = s.rbegin();
	while (rit != s.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		rit++;
	}
	cout << endl;
}

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

5. set 的修改

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( constkey_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

void test_set3()
{
	//插入
	set<int> s;
	s.insert(2);
	s.insert(5);
	s.insert(6);
	s.insert(7);
	set<int>::iterator it;
	pair<set<int>::iterator, bool> ret = s.insert(5); // 不会插入成功，second为false

	if (ret.second == false) it = ret.first; //从插入失败的位置开始往后遍历

	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	//删除
	set<int> s2;
	set<int>::iterator it2;

	//插入元素
	for (int i = 1; i < 10; i++) s2.insert(i * 10);  // 10 20 30 40 50 60 70 80 90

	it2 = s2.begin();
	++it2;                                         // "it" points now to 20

	s2.erase(it2);//根据元素位置删除
	//s2.erase(s.end());//error 若删除不存在元素的位置会报错

	s2.erase(40);//直接删除存在的元素 若不存在不会报错

	it2 = s2.find(60);//60之后的元素都被删除
	s2.erase(it2, s2.end());

	for (auto& e : s2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	//10 30 50
	
	// s2中值为10的元素出现了几次
	cout << s2.count(10) << endl;
}

3.2 multiset

3.2.1 multiset 的介绍

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
   $<value,value>$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)。
6. 与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的
7. 使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列。
8. 在multiset中查找元素，时间复杂度为$O(lo{g}_{2}N)$

3.2.2 multiset的使用

multiset容器与set容器实现和接口基本一致，唯一区别就是，multiset允许键值冗余，即multiset器当中存储的元素是可以重复的。
⚠️注意：对于find来说，如果有多个相同的元素val，multiset返回底层搜索树中序的第一个元素val的迭代器。

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

void test_multiset()
{
	multiset<int> ms;
	ms.insert(1);
	ms.insert(1);
	ms.insert(1);
	ms.insert(2);
	ms.insert(2);
	ms.insert(2);
	ms.insert(3);
	ms.insert(3);
	ms.insert(4);

	// 注意：multiset在底层实际存储的是的键值对
	for (auto& e : ms)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	//元素2出现的次数
	cout << ms.count(2) << endl;

	//auto ret = ms.equal_range(2);
	删除 [>=val, >val] 的元素
	//ms.erase(ret.first, ret.second);

	//删除所有的2
	ms.erase(2);
	for (auto& e : ms)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;	
}

3.3 map

3.3.1 map的介绍

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底层实现为平衡二叉搜索树(红黑树))。

3.3.2 map的使用

1.map的模板参数列表

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。

2.map的构造

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

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()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

void test_map1()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));
	dict.insert(pair<string, string>("insert", "插入"));
	dict.insert(pair<const char*, const char*>("left", "左边"));

	dict.insert(make_pair("erase", "删除"));//推荐写

	string s1("string"), s2("字符串");
	dict.insert(make_pair(s1, s2));

	map<string, string>::iterator it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
		cout << it.operator->()->first << ":" << it.operator->()->second << endl;
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		it++;
	}
	cout << endl;

	for (auto& kv : dict)
	{
		//kv.first += 'x';//不可被修改
		kv.second += 'x';
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
}

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key对应的value

5.map中元素的修改

函数声明	功能介绍
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 ( const key_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

void test_map2()
{
	string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& str : arr)
	{
		auto ret = countMap.find(str);
		if (ret == countMap.end())
		{
			//没找到，说明第一次出现，插入即可
			countMap.insert(make_pair(str, 1));
		}
		else
		{
			//找到次数++
			ret->second++;
		}
		//以上等价于
		//countMap[str]++;
	}

	for (auto& kv : countMap)
	{
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
}

operator[]的使用：

void test_map3()
{
	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<"banana","香蕉">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
	m.insert(make_pair("banana", "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，pair<已经存在key所在节点的iterator，false>
	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，pair<新插入key所在节点的iterator，true>
	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("lemon", "柠檬"));
	if (ret.second)
		cout << "不在map中, 已经插入" << endl;
	else
		cout << "键值为lemon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;
}

3.4 multimap

3.4.1 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$<key,value>$，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：

1. 对于find来说multimap返回底层搜索树中序的第一个键值为key的元素的迭代器。
2. 由于multimap容器允许键值冗余，调用[]运算符重载函数时，应该返回键值为key的哪一个元素的value的引用存在歧义，因此在multimap容器当中没有实现[]运算符重载函数。

3.4.2 multimap的使用

void test_multimap()
{
	multimap<string, string> m;
	m.insert(make_pair("left", "左边"));
	m.insert(make_pair("left", "剩余"));
	m.insert(make_pair("left", "左边"));

	for (auto& kv : m)
	{
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
}