C++轮子 · STL关联容器

上一篇文章中我们简单的介绍了一下STL中的序列容器和容器适配器，这篇文章中我们将重点介绍STL中的关联容器（最后四个在概念上应该不是关联容器，但是因为和前面的容器联系太紧密，统一放在这里讲解），主要内容包括：

• std::set
• std::map
• std::multi_map
• std::multi_set
• std::unordered_map
• std::unordered_set
• std::unordered_multimap
• std::unordered_multiset

std::set

通常提到关联容器，大家可能首先会想到的是std::map，这里先讲解std::set是避免出现关联数组和关联容器概念上的混淆。前者是数据结构中的概念，而后则是C++中特有的概念。

什么关联容器

关联容器这个概念，在C++里面是一个Concept（关于concept的讨论我们在上一篇文章中有讲解，这里不再赘述），它的基本定义如下：

An AssociativeContainer is an ordered Container that provides fast lookup of objects based on keys.

翻译成中文，大概是说关联容器是提供了基于key的快速查找功能的有序容器。它实际上是 Container 这个 Concept 的 Refinement。

Refinement

Refinement 在泛型编程中是一个非常重要的概念，它和 Concept 的关系类似于OO世界中父子继承关系。我们知道 Concept 表示的不是一个类型而是一个类型集合，所以 Refinement 表示的其实也是一个类型集合，这些类型比 Concept 中的定义的类型要有更多的约束和特性（约束和特性其实是一个问题的两个方面，你约束的越是严格，你能够使用的特性越多，但是你能使用的场景越少，比如 Java 中 Object 类哪儿都能用，又哪儿都用不了）。

有序

在数学概念上，集合表示具有某种特定性质的事物的总体，它有三个特性：无序性、互异性、确定性。

个人认为，C++世界里面的std::set其实并不是传统意义上的集合，因为它不符合无序的特性（当然你也可以理解成无序表示任何顺序都可以，有序也属于无序的一种状态）。

Key 值的只读属性

需要特别提醒的是，因为关联容器使用key值排序，你不能修改key值，否则你会破坏关联容器的内部结构（虽然有些情况下更改key值在逻辑上是合理并且合法的【1】）。在C++11之后，关联容器返回的迭代器，key都默认是const。如果你需要更改key的值，最好的方式是先删除，再插入（有move的存在，这一步的开销相对小一些）。

互异

互异是指集合内部的任意两个元素都不相同，这一点在std::set中满足，但是在std::multi_set中并不满足。

std::set元素的互异在编程中有一个非常大的作用是去重，当然你也可以使用sort+unique的方式来处理去重，但是std::set的方式在逻辑上更具有表达力。

成员方法

std::set中的很多成员和std::map类似，只不过它们的value_type不一样，std::set的value_type是std::string，而std::map的value_type是std::pair。因此这一小节不介绍相关的成员函数，你可以查看std::map的相关成员函数的介绍，然后对照std::set的文档来理解这一部分内容。

std::map

std::map可能是C++世界使用得最广泛的关联容器，它以键值对的形式存储数据的一种关联容器，可以用于充当关联数组。

关联数组

在数据结构的范畴里面，map又被称为关联数组。一个普通的数组，可以使用int（严格来说应该是size_t）做为下标来访问数组内部的元素，关联数组则可以使用任意类型做为下标来存取数组内部的数组。当然这里说的数组是一个逻辑上的概念，关联数组的实现物理上的实现通常是树或者哈希表等等。

需要注意的是关联数组和关联容器是完全不同的两个概念，关联容器强调的是提供快速访问的有序容器，这个概念只存在于C++中；而关联数组强调的是键值对的形式存储数据，并通过key来快速访问数据，这个概念是传统数据结构中的概念，在不同的语言对应不同的类型，比如Java的map，Python的dict。关联容器不一定是关联数组，比如set；关联数组也不一定是关联容器，比如unordered_map。

红黑树

map和set的实现通常是一个颗红黑树，红黑树是一种平衡二叉排序树。它的节点要么是黑要么是红，但是