C++：有序关联容器的插入与删除

遇到的问题，都有解决方案，希望我的博客能为您提供一点帮助。

一、插入操作

​1. 基本插入方法

• ​insert() 方法：set 和 map：insert 方法返回一个 pair，其中 first 是指向插入元素的迭代器，second 是一个布尔值，若插入成功则为 true，若元素已存在则为 false。

• ​单个元素插入：

  • std::set s;
    auto result = s.insert(42);  // 返回pair
    if (result.second) {
        // 插入成功，result.first指向新元素
    }

  • ​范围插入：

    std::vector vec = {1, 2, 3};
    s.insert(vec.begin(), vec.end());

• ​emplace() 方法（C++11）：直接构造元素，避免拷贝/移动开销：

  std::map m;
  auto result = m.emplace("apple", 42);  // 返回pair

• ​operator[]（仅限map）​：若键存在则修改值，否则插入新键值对：

  m["apple"] = 42;  // 插入或覆盖

​2. 不同容器的插入行为

​容器	​键是否唯一	​插入重复键的行为
set/map	是	插入失败（result.second为false）
multiset/multimap	否	插入成功，允许重复键

​3. 插入优化：提示迭代器（hint）​

• 若已知插入位置的大致范围，可提供提示迭代器提高效率：

  #include 
  #include 
  #include   // 设置控制台编码
  
  using namespace std;
  
  int main() {
      SetConsoleOutputCP(CP_UTF8);  // 支持中文输出
      
      set s = {10, 20, 30, 40};
      auto hint = s.end();
  
      // 批量插入优化
      cout << "插入前集合内容: ";
      for (auto& n : s) cout << n << " ";
      cout << endl;
  
      for(int value : {25, 35, 45}) {
          hint = s.insert(hint, value);
          cout << "插入 " << value << " 后集合内容: ";
          for (auto& n : s) cout << n << " ";
          cout << endl;
      }
  
      // 验证最终结果
      cout << "\n最终有序集合: ";
      for (auto& n : s) cout << n << " ";
      return 0;
  }

结果输出：

4. 插入操作的底层实现

STL实现（如GCC的libstdc++）通常：

1. 从根节点开始搜索插入位置

2. 比较键值，决定向左/向右子树移动

3. 找到合适位置后创建新节点（通常为红色）

4. 调整红黑树性质（旋转和重新着色）

关键点：

• 插入操作保持元素有序性

• 平均和最坏时间复杂度均为O(log n)

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​二、删除操作

1. 基本删除方法

(1) erase 函数

// 通过迭代器删除
iterator erase(iterator position);

// 通过键值删除
size_type erase(const key_type& key);

// 范围删除
iterator erase(iterator first, iterator last);

 特点：

• 返回被删除元素的下一个元素的迭代器

• 通过键值删除返回删除的元素数量（对于set/map为0或1）

示例：

• ​通过迭代器删除

  auto it = s.find(42);
  if (it != s.end()) {
      s.erase(it);  // 删除指定元素，返回void（C++11前）或下一个迭代器（C++11起）
  }

• ​通过键删除

  int count = s.erase(42);  // 返回删除的元素数量

• ​通过范围删除

  auto start = s.lower_bound(20);
  auto end = s.upper_bound(40);
  s.erase(start, end);      // 删除区间[20, 40)内的元素

完整例子： 

#include 
#include 
#include   // 添加Windows头文件

using namespace std;

int main() {
    SetConsoleOutputCP(CP_UTF8);  // 设置控制台输出编码
    
    std::set s = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 初始状态
    cout << "初始集合: ";
    for (auto& n : s) cout << n << " ";
    cout << endl;

    // 通过迭代器删除
    auto it = s.find(3);
    if (it != s.end()) {
        s.erase(it);
        cout << "删除3后集合: ";
        for (auto& n : s) cout << n << " ";
        cout << endl;
    }

    // 通过键值删除
    size_t count = s.erase(4);  // count = 1
    cout << "删除4后集合（删除" << count << "个元素）: ";
    for (auto& n : s) cout << n << " ";
    cout << endl;

    // 范围删除（删除1和2）
    s.erase(s.begin(), s.find(3));  // 此时3已不存在，实际删除到end
    cout << "范围删除后剩余元素: ";
    for (auto& n : s) cout << n << " ";
    
    return 0;
}

2. 不同容器的删除行为

​容器	​删除重复键的行为
set/map	erase(key)返回0或1（唯一键）
multiset/multimap	erase(key)返回删除的重复键数量

​3. 安全删除技巧（循环中删除）​

• ​现代方法​（C++11起，利用返回值）：

  for (auto it = m.begin(); it != m.end();) {
      if (it->first == "apple") {
          it = m.erase(it);  // erase返回下一个有效迭代器
      } else {
          ++it;
      }
  }

4. 删除操作的底层实现

STL实现通常：

1. 查找要删除的节点

2. 根据子节点情况处理：

   • 无子节点：直接删除

   • 一个子节点：用子节点替代

   • 两个子节点：找到后继节点，交换内容后删除后继节点

3. 调整红黑树性质（旋转和重新着色）

关键点：

• 保持树的平衡性

• 平均和最坏时间复杂度均为O(log n)

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​三、示例代码

​1. multimap的插入与范围删除

#include 

​2. set的提示插入与安全删除

#include 

int main() {
    std::set s = {10, 20, 30, 40};

    // 使用提示插入35
    auto hint = s.find(30);
    s.insert(hint, 35);  // 插入在30和40之间

    // 删除20到35之间的元素
    auto start = s.lower_bound(20);
    auto end = s.upper_bound(35);
    s.erase(start, end);  // 删除20、30、35
}

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四、性能与异常安全性

1. 性能考虑

操作	时间复杂度	备注
insert	O(log n)	最坏情况也是O(log n)
emplace	O(log n)	可能比insert更高效
erase	O(log n)	最坏情况也是O(log n)
find	O(log n)	查找操作

2. 异常安全性

• 插入操作：强异常安全保证（失败时容器状态不变）

• 删除操作：不抛出异常（无失败情况）

​五、关键注意事项

1. ​迭代器失效

   • 删除元素后，指向该元素的迭代器失效，但其他迭代器仍有效。
   • 循环中删除时需使用返回值或后置递增更新迭代器。

2. ​性能

   • 插入/删除操作的时间复杂度为 ​O(log n)（红黑树平衡操作）。
   • 使用提示迭代器可将插入优化至 ​接近O(1)。

3. ​键不可变性

   • 关联容器的键为const，不可直接修改。需先删除旧键，再插入新键值对。