【C++进阶04】STL中map、set、multimap、multiset的介绍及使用

一、关联式容器

vector/list/deque…
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

map/set…
这些容器统称为关联式容器
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

“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

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、set

3.1 树形结构的关联式容器

根据应用场景的不同
C++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
底层都是使用平衡搜索树(红黑树)来实现
容器中的元素是一个有序的序列

3.2 set的介绍

1. set是按照一定次序存储元素的容器
   与map/multimap不同的是
   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. 在set中，元素是唯一的
   元素的value就是key，类型为T
   set元素可以插入或删除，但不能修改
map不能修改key，但可以修改value值
   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中的元素总是按内部比较对象(类型比较)
   默认按照小于来比较
   所指示的特定“严格弱排序”准则进行排序
   使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列

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中查找某个元素，时间复杂度为：$lo{g}_{2}n$

set中的元素之所以不允许修改是怕破坏搜索规则

3.3 set的定义及使用

set的定义

set<int> s1; // 构造int类型的空容器

set<int> s2(s1); // 拷贝构造

string str("abcd");
set<char> s3(str.begin(), str.end()); // 迭代器构造某段区间

set<int, greater<int>> s4; // 比较方式改为大于 

set的各个接口跟之前学的vector、list差不多
就不多介绍
set的使用

void test_set()
{
	set<int> s;
	// 插入元素并去重
	s.insert(1);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(3);
	s.insert(4);
	s.insert(3);

	// 搜索树不允许修改key，可能会破坏搜索的规则
	// 1. 迭代器遍历容器
	set<int>::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
	// 2. 范围for遍历容器
	for (auto e : s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	// 删除元素
	s.erase(1);
	
	// 查找删除
	set<int>::iterator pos = s.find(2);
	if (pos != s.end())
		s.erase(pos);

	// 计算容器中值为3的元素
	cout << s.count(3) << endl;

	// 清空容器
	s.clear();

	// 交换两个容器的数据
	set<int> tmp{ 5, 7, 9 };
	s.swap(tmp);
}

// 输入一个值，查找在不在
void test_set2()
{
	set<int> s;
	s.insert(1);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(3);
	s.insert(3);
	s.insert(3);

	int x;
	while (cin >> x)
	{
		/*
		set::iterator it = s.find(x);
		if (it != s.end())
		{
			cout << "在" << endl;
		}
		else
		{
			cout << "不在" << endl;
		}
	*/
		if (s.count(x))
		{
			cout << "在" << endl;
		}
		else
		{
			cout << "不在" << endl;
		}
	}
}

multiset 允许冗余，其他跟set还是一样的

void test_set3()
{
	multiset<int> s;
	s.insert(1);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(3);
	s.insert(3);
	s.insert(3);

	for (auto e : s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	
	// 有多个key，find找中序的第一个key
}

四、map

4.1 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，使用迭代器遍历map中的元素，可以得到一个有序序列

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. map容器中的键值key不能修改，但元素值value可以修改
   因为map底层是根据每个元素的键值key构建的

4. 在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的
   不传内部比较对象时，map中元素键值key默认按小于比较

5. 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

6. 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

7. map的底层是平衡二叉搜索树(红黑树)
   map查找某个元素时间复杂度为$logN$

4.2 map的定义及使用

map的定义

// 构造一个key为string，value为char的容器
map<string, char> m1; 

// 构造一个跟m1一样的容器
map<string, char> m2(m1);

// 迭代器构造m2的某段区间的容器
map<string, char> m3(m2.begin(), m2.end());

// key的比较方式改成大于
map<string, char, greater<string>> m4; 

map的插入和删除

value_type是pair的别名

typedef pair<const key, T> calue_type;

因此插入时需要构造一个pair的匿名对象

void test_map()
{
	map<string, string> dict;
	
	// 构造一个pair的匿名对象去插入
	dict.insert(pair<string, string>("int", "整型")); 
	
	// 用pair代码会很长，更常用的是make_pair
	// make_pair是一个函数模板,能通过传参自动推导类型
	dict.insert(make_pair("sort", "排序")); 
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	dict.insert(make_pair("count", "计数"));

	// 已经有的key,会插入失败
	dict.insert(make_pair("count", "(计数)")); 
	
	// map::iterator dit = dict.begin();
	auto dit = dict.begin();
	while (dit != dict.end())
	{
		// 直接*dit无法通过编译.C++不支持返回两个值
		// dit解引用后是一个pair的结构体,里面有两个值,并不支持流插入
		// cout << (*dit).first << ":" << (*dit).second << endl;
		cout << dit->first << ":" << dit->second << endl; // 结构体里的指针一般用箭头
		dit++;
	}
	cout << endl;

	// 根据key值删除
	dict.erase(string);
	
	//迭代器删除
	map<string, string>::iterator pos = dict.find(sort);
	if (pos != dict.end())
		dict.erase(pos);
}

insert的返回值是pair
pair第一个成员是map的迭代器类型
第二个成员是bool类型

• 若插入元素的键值key在map中不存在
insert插入成功，并返回插入后元素的迭代器和true
• 若插入元素的键值key在map中已存在
则insert插入失败，并返回map中键值为key元素的迭代器和false

map的operator[ ]

operator[ ] 的返回值

[ ]operator实现的逻辑分为以下3个步骤：

1. 调用insert函数插入键值对
2. 拿出从insert函数获取到的迭代器
3. 返回该迭代器位置元素的值value

代码分解

mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{
	//1. 调用insert函数插入键值对
	pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(k, mapped_type()));
	//2. 拿出从insert函数获取到的迭代器
	iterator it = ret.first;
	//3. 返回该迭代器位置元素的值value
	return it->second;
}

[ ]的插入、修改、查找、插入+修改
以及统计水果出现的次数

void test_map2()
{
	string arr[] = { "苹果", "香蕉", "西瓜", "梨子", "香蕉", "西瓜", "西红柿", "香蕉", "西瓜", "苹果", "西红柿" };
	map<string, int> countMap;

	//for (auto e : arr) // 统计水果出现次数
	//{
	//	map::iterator it = countMap.find(e);
	//	if (it == countMap.end())
	//	{
	//		countMap.insert(make_pair(e, 1));
	//	}
	//	else
	//	{
	//		it->second++;
	//	}
	//}

	for (auto& e : arr) // 方括号统计水果出现次数
	{
		countMap[e]++; // [] 的三个功能: 插入、修改、查找、插入+修改
	}

	for (auto& kv : countMap)
	{
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl; // 结构体里的指针一般用箭头
	}
	cout << endl;

}

// countMap[e]++; 这段代码底层实现
// V& operator[](const K& key)
// {
// 	pair ret = insert(make_pair(key, V()));
// 	return ret.first->second;
//}

void test_map3()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	dict.insert(make_pair("count", "计数"));
	dict.insert(make_pair("count", "(计数)"));

	dict["left"]; // 插入
	dict["right"] = "右"; // 插入+修改
	dict["string"] = "(字符串)"; // 修改
	cout << dict["string"] << endl; // 查找
	cout << dict["endl"] << endl; // 查找

	auto dit = dict.begin();
	while (dit != dict.end())
	{
		cout << dit->first << ":" << dit->second << endl; 
		dit++;
	}
	cout << endl;
}

[ ]operator的返回值是key的value的引用
所以我们对该函数返回值的修改
实际就是对键值key的value的修改

multimap
multimap跟map基本一样
只是multimap允许键值冗余
find返回值是返回搜索树中序第一个键值
为key的元素的迭代器

由于冗余，调用operator[ ]时
返回键值应为哪个key的value引用
而存在歧义，因此multimap没有operator[ ]接口

如果支持迭代器就一定支持范围for
因为范围for的底层就是迭代器

五、map和set的区别

1. map元素是key-value(关键字-值)对
   set元素是关键字
   map和set都不允许插入重复关键字

2. set迭代器是const
   所以不允许修改元素值
   map可以修改value，但不能修改key
   map和set底层红黑树依靠关键字保持有序性
   所以不允许修改关键字

3. map支持下标操作，set则不支持
   注意：map下标通过insert实现
   也就是尝试插入一个查询键值对
   如果存在则返回该键值对

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