【C++】树型结构关联式容器：map/multimap/set/multisetの使用指南（27）

前言

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主要内容含：

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一.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
  (例如：英汉互译的词典，那该字典中必然有英文单词与其对应的中文含义，而且英文单词与中文单词是一一对应的关系)

//键值对定义
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)
{}
};

二.关联式容器＆序列式容器

• 序列式容器：为其底层为线性序列的数据结构，里面存储的是元素本身 （例如：vector、list、deque、forward_list(C++11)）
• 关联式容器：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

三.k模型＆k-v模型

• K模型：【快速判断在不在的场景】 K模型即只有key作为关键码，结构中只需要存储Key即可，关键码即为需要搜索到的值。
  例：给一个单词word，判断该单词是否拼写正确：以词库中所有单词集合中的每个单词作为key，构建一棵二叉搜索树在二叉搜索树中检索该单词是否存在，存在则拼写正确，不存在则拼写错误
• K-V模型：【通过一个值找另一个值】 每一个关键码key，都有与之对应的值Value，即<Key, Value>的键值对。该种方式在现实生活中非常常见：
  例：再比如统计单词次数，统计成功后，给定单词就可快速找到其出现的次数，单词与其出现次数就是<word, count>就构成一种键值对。

• 接下来要介绍的 map 就是典型的【k-v模型】， set 是典型的【k模型】

四.树形结构的关联式容器

1）基本介绍

• 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
• 这四种容器的共同点是：使用平衡搜索树进阶版本(即 红黑树 )作为其底层结构，容器中的元素是一个有序的序列

2）底层结构：红黑树 ————————封装传送门

• 前面对map/multimap/set/multiset进行了简单的介绍，在其文档介绍中发现，这几个容器有个 共同点是：其底层都是按照二叉搜索树来实现的，但是二叉搜索树有其自身的缺陷，假如往树中 插入的元素有序或者接近有序，二叉搜索树就会退化成单支树，时间复杂度会退化成O(N)，因此 map、set等关联式容器的底层结构是对二叉树进行了平衡处理，即采用平衡树来实现

五.set

1) set的文档介绍

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<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。
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

2）set的使用指南

【1】 set的模板参数列表解读

template < class T,                   // set::key_type/value_type
          class Compare = less<T>,   // set::key_compare/value_compare
          class Alloc = allocator<T>   // set::allocator_type 
          > class set;

• T: set中存放元素的类型，实际在底层存储<value, value>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的三种构造方式

//用[first, last)区间中的元素构造set
// 用数组array中的元素构造set
int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0 };
set<int> s(array, array+sizeof(array)/sizeof(array));

【3】set的容量相关函数

【4】set 的增删查改操作

// 排序+去重
set<int> s;
s.insert(3);
s.insert(5);
s.insert(8);
s.insert(7);

if (s.find(5) != s.end())
{
	cout << "找到了" << endl;
}

if (s.count(5))//更加常用
{
	cout << "找到了" << endl;
}

//利用迭代器增删查改一段区间内的元素
	std::set<int> myset;
	std::set<int>::iterator itlow, itup;

	for (int i = 1; i < 10; i++) 
		myset.insert(i * 10); // 10 20 30 40 50 60 70 80 90
	myset.insert(35);
	// 删除[30 60]
	itlow = myset.lower_bound(30);                // >=     
	itup = myset.upper_bound(60);                 // >

	// [itlow, itup)
	cout << *itlow << endl;
	cout << *itup << endl;

	myset.erase(itlow, itup);                     // 10 20 70 80 90

	for (auto e : myset)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

【5】set的使用举例（代码演示）

代码演示：

#include<iostream>
#include <set>
using namespace std;
void test_set1()
{ 
   // 用数组array中的元素构造set
   int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0 };
   set<int> s(array, array+sizeof(array)/sizeof(array));
   // 正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可去重
   for (auto& e : s)
   cout << e << " ";
   cout << endl;
   // 使用迭代器逆向打印set中的元素
   for (auto it = s.rbegin(); it != s.rend(); ++it)
   cout << *it << " ";
   cout << endl;
   // set中值为3的元素出现了几次
   cout << s.count(3) << endl;
}

六.multiset（可重复set）

1) multiset的文档介绍

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)<value, value>构成的键值对。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

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

2) multiset的使用指南

• 此处只简单演示set与multiset的不同，其他接口接口与set相同

void test_set2()
{
	// 排序
	multiset<int> s;
	s.insert(3);
	s.insert(5);
	s.insert(8);
	s.insert(7);
	s.insert(7);
	s.insert(9);
	s.insert(7);

	for (auto e : s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	// 返回中序第一个7
	auto pos = s.find(7);
	while (pos != s.end())
	{
		//*pos = 10;————key不可修改
		cout << *pos << " ";
		++pos;
	}
	cout << endl;

	cout << s.count(7) << endl;

	auto ret = s.equal_range(6);//相同元素的上下限范围
	auto itlow = ret.first;
	auto itup = ret.second;

	// [itlow, itup)
	// [7,7)                 //不存在该区间
	cout << *itlow << endl;
	cout << *itup << endl;

	s.erase(itlow, itup);                     

	for (auto e : s)
	{
		cout << e << " ";     
	}
	cout << endl;
}

2) multiset的经典应用：求前k个出现频率最多的单词

传送门：

七.map

1) map的文档介绍

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<const key, T> 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))。

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. 【核心操作】支持[ ]操作符 ,进行插入查找操作

2) map的使用指南

【1】map的模板参数列表解读

template < class Key,  // map::key_type 
            class T,  // map::mapped_type 
            class Compare = less<Key>,  // map::key_compare
            class Alloc = allocator<pair<const Key,T> 
          >    // map::allocator_type  > class map;

• 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的构造方式

void test_map1()
{
	map<string, string> dict;

	pair<string, string> kv1("insert", "插入");
	dict.insert(kv1);
	dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));

	// C++98
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));

	// C++11 多参数的构造函数隐式类型转换
	dict.insert({ "string", "字符串" });
	
	// 隐式类型的转换
	string str1 = "hello";
	A aa1 = { 1, 2 };
	pair<string, string> kv2 = { "string", "字符串" };
}

【3】map的容量相关函数

【※】当key不在map中时，通过operator获取对应value时会发生什么问题？

【4】map增删查改操作盘点

【5】map的插入操作

• 由于map中的的元素是键值对，所以也要以 键值对 的形式插入
• 在【6】part中，map 常用下标访问操作符来进行插入修改，这类用法了解即可
• 以下用法，常用于mutimap的插入 ，一般用法3

void test_map1()
{
	map<string, string> dict;

	pair<string, string> kv1("insert", "插入");//——————————法1
	dict.insert(kv1);
	
	dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));//——————————法2

	// C++98
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));//——————————法3（好处，不用再写key,value类型）

	// C++11 多参数的构造函数隐式类型转换
	dict.insert({ "string", "字符串" });//——————————法4
}

• map中的key是唯一的，遇见相同key时，插入情况：

map<string, string> dict;
dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
dict.insert(make_pair("insert", "插入"));

// 不插入，不覆盖；插入过程中，只比较key，value是相同无所谓
// key已经有了就不插入了
dict.insert(make_pair("insert", "xxxx"));

【6】利用[ ] 对map进行增删查改操作

• map的一个重要特性就是支持下标访问： [ ]

void test_map4()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("insert", "插入"));

	cout << dict["sort"] << endl; // 查找和读
	dict["map"];                  // 插入
	dict["map"] = "映射,地图";     // 修改
	dict["insert"] = "xxx";       // 修改
	dict["set"] = "集合";         // 插入+修改
}

【7】利用迭代器与auto/范围for打印map基本操作

 map<string, string> dict;
//利用迭代器
 auto it = dict.begin();
 while (it != dict.end())
{
	//it->first = "xxx";
	//it->second = "xxx";

	//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
	cout << it->first << ":" << it->second << endl;

	++it;
}
 cout << endl;//别漏了最后一个
//范围for
	for (const auto& kv : dict)
	{
		cout << kv.first << ":"<<kv.second<<endl;
	}

【8】经典应用：利用map统计出现重复的元素

void test_map3()
{
	// 统计次数
	string arr[] = { "西瓜", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
//范围for（推荐）
  for (auto e : arr)
	{
		countMap[e]++;
	}

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

//迭代器法
	//for (auto e : arr)
	//{
	//	auto it = countMap.find(e);
	//	if (it == countMap.end())
	//	{
	//		countMap.insert(make_pair(e, 1));
	//	}
	//	else
	//	{
	//		it->second++;
	//	}
	//}
}

八.multimap（可重复map）

1) multimap的文档介绍

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<const Key, T> 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。

2) multimap的使用指南

• 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
4. 使用时与map包含的头文件相同：

九.map/multimap/set/multiset的经典oj——刷题传送门

这里是引用