【C++从练气到飞升】17---set和map

在前面，已经向大家介绍了 STL 中的部分容器，比如：vector、list、deque、forward_list（C++11中引入）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呢？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。

用来表示具有一对一对印关系的一种结构，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，即通过该英文单词，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;
	
	//成员变量
	T1 first;
	T2 second;

	//默认构造函数
	pair(): first(T1()), second(T2())
	{}
	
	pair(const T1& a, const T2& b): first(a), second(b)
	{}
};

注意：底层为什么要存 pair 呢？以 map 为例，map 是一个 <key，value> 结构，按照我们以前的做法，是在 map 的结点中存一个 key 再存一个 value，但是对迭代器解引用的时候就会产生问题，因为 operator* 只能返回一个值，那到底返回 key 还是 value 呢？好像都不太合适，为了实现在解引用的时候将 key 和 value 同时返回，那么我们就想能否将 key 和 value 组合在一起得到一个新的结构，在解引用的时候返回这个结构，因此 pair 就诞生了。

1.3 树型结构的关联式容器

根据应用场景的不同，STL 总共实现了两种不同结构的关联式容器：树结型构与哈希结构。树型结构的关联式容器主要有四种：map、set、multimap、multiset。这四种容器的共同特点是：使用平衡搜索树（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。下面依次为大家介绍每一个容器。

• set 是按照一定次序存储元素的容器。

• 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者删除它们。

• 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 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。

• set 在底层是用二叉搜索树（红黑树）实现的。

注意：

• 与 map 和 multimap 不同，map 和 multimap 中存储的是真正的键值对 <key，value>，set 中只存放 value，但是在底层实际存放的是由 <value，value> 构成的键值对。

• set 中插入元素时，只需要插入 value 即可，不需要构造键值对。

• set 中的元素不可以重复（因此可以使用 set 进行去重）。

• 使用 set 的迭代器遍历 set 中的元素，可以得到有序序列。

• set 中的元素默认按照小于来比较。

• set 中查找某个元素，时间复杂度为：log2^n。

• set 中的元素个数不允许被修改。

• set 中的底层使用二叉搜索树（红黑树）来实现的。

• set 的作用是排序加去重。

2.2 set的使用

小Tips：T 是 set 中存放元素的类型，实际在底层存储 <value，value> 的键值对。Compare 是仿函数，set 中元素默认按照小于来比较（默认排升序）。Alloc 是 set 中元素空间的管理方式，使用 STL 提供的空间配置器管理。

2.2.2 set 的构造

2.2.3 set 的迭代器

2.2.4 set 的容量

2.2.5 set 修改操作

2.2.6 set 的使用举例

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;

void TestSet()
{
	//用array数组中的元素构造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[0]));
	cout << "set中的元素个数:" << s.size() << endl;

	//正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可以去重
	cout << "正向打印:";
	for (auto& e : s)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl;

	//使用迭代器逆向打印set中的元素
	cout << "逆向打印:";
	auto it = s.rbegin();
	while (it != s.rend())
	{
		cout << *it << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;

	//set中值为3的元素出现了几次
	cout << "set中三的个数:" << s.count(3) << endl;
}

int main()
{
	TestSet();
	return 0;
}

三、multiset

• 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。

• 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），但是可以从容器中插入或者删除。

• 在内部，multiset 中的元素总是按照其内部的比较规则（类型比较）所指示的特定严格弱排序准则进行排序。

• 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。

• multiset 的底层结构是二叉搜索树（红黑树）。

注意：

• multiset 在底层存储的是 <value，value> 的键值对。

• multiset 的插入接口中只需要插入 value 即可。

• 与 set 的区别是，multiset 中的元素可以重复，set 中 value 是唯一的。

• 使用迭代器对 multiset 中的元素进行遍历，可以得到有序的序列。

• multiset 中的元素不能修改。

• 在 multiset 中找某个元素，时间复杂度是O(log2^N)。

• multiset 的作用是可以对元素进行排序。

multiset 的接口和 set 的接口相同，这里不再过多赘述，下面演示一下，multiset 中允许出现重复值。

void TestMultiset()
{
	// 用array数组中的元素构造multiset
	int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0 };
	multiset<int> s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	cout << "multiset中的元素个数:" << s.size() << endl;

	//正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可以去重
	cout << "正向打印:";
	for (auto& e : s)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl;

	//下面删掉所有的7
	auto pa = s.equal_range(7);
	s.erase(pa.first, pa.second);

	//正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可以去重
	cout << "正向打印:";
	for (auto& e : s)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl;
}

int main()
{
	TestMultiset();
	return 0;
}

四、map

• 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 value 组合而成的元素。

• 在 map 中，键值 key 通常用于排序和唯一地标识元素，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。

• 在内部，map 中的元素总是按照键值 key 进行比较排序的。

• 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）。

• map 支持下标访问，即在 [ ] 中放入 key，就可以找到与 key 对应的 value。

• map 通常被实现为二叉搜索树，更准确的说是平衡二叉搜索树（红黑树）。

4.2.1 map 的模板参数说明

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（排升序），一般情况下内置类型元素该参数不需要传递，如果无法比较式，比如自定义类型，需要用户自己显示传递比较规则（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。

注意：在使用 map 时，需要包含头文件。

4.2.3 map 的迭代器

4.2.4 map 的容量与元素访问

注意：在元素访问时，有一个与 operator[ ] 类似的接口 at()（该接口不常用），都是通过 key 找到 与 key 对应的 value，然后返回其引用，不同的是：当 key 不存在时，operator[ ] 用默认 value 与 key 构造键值对然后插入，返回该默认的 value，at() 接口则是直接抛异常。operator[ ] 的底层是通过调用 insert 来实现的，他主要有以下三个功能：查找读取（key 存在时）、插入（key 不存在时，此时的 value 是一个匿名对象，调用 value 的默认构造）、插入修改（key 不存在，并且给一个 value 的初始值）。

void TestMap1()
{
	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;//查找和读取
	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
}

4.2.5 map 中元素的修改

4.2.6 map 使用举例

void TestMap()
{
	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"));//匿名对象

	// 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
	m.insert(make_pair("banan", "香蕉"));//此方法最常用

	// 借用operator[]向map中插入元素
	   /*
	operator[]的原理是：
	 用<key, T()>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
	 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
	 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
		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("peach", "桃色"));
	if (ret.second)
		cout << "<peach, 桃色>不在map中, 已经插入" << endl;
	else
		cout << "键值为peach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;
}

int main()
{
	TestMap();
	return 0;
}

总结：

• map 中的元素是键值对。

• map 中的 key 是唯一的，并且不能修改。

• 默认按照小于的方式对 key 进行比较。

• 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。

• map 的底层为平衡搜索树（红黑树），查找效率比较高O(log2^N)。

• 支持 [ ] 操作符，operator[ ] 中实际上是调用 insert 进行插入查找。

五、multimap

• multimap 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。

• 在 multimap 中，通常按照 key 排序和唯一的标识元素，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;。

• 在内部，multimap 中的元素总是通过其内部的比较对象，按照指定的特定严格弱排序标准对 key 进行排序的。

• 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 的有序序列。

• 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 中的 key 是可以重复的。

multimap 中的接口可以参考 map，功能都是类似的。

注意：

• multimap 中的 key 是可以重复的。

• multimap 中的元素默认将 key 按照小于来比较（排升序）。

• multimap 中没有重载 operator[ ] 操作。因为 key 可以重复，这就导致一个 key 可能会对应多个 value。

• multimap 的 insert 返回值不再是 pair 了，因为它的插入一定会成功，只会返回插入元素的迭代器。

• 使用时与 map 包含相同的头文件。