【STL】 set 与 multiset：基础、操作与应用

在 C++ 标准库中，set 和 multiset 是两个非常常见的关联容器，主要用于存储和管理具有一定规则的数据集合。本文将详细讲解如何使用这两个容器，并结合实例代码，分析其操作和特性。

0.基础操作概览

0.1.构造：

set<T> st;                   
// 默认构造函数：

set(const set& st);          
//拷贝构造函数

0.2.赋值：

set& operator=(const set& st); 
//重载等号操作符

0.3.统计set容器大小以及交换set容器

size();                       
//返回容器中元素的数目

empty();                       
//判断容器是否为空

swap(st);                     
 //交换两个集合容器

0.4.set容器进行插入数据和删除数据

insert(elem);                  
//在容器中插入元素。      

clear();                       
// 清除所有元素

erase(pos);                         
//删除pos迭代器所指的元素，返回下一个元素的迭代器。

erase(beg, end);                   
//删除区间[beg,end)的所有元素 ，返回下一个元素的迭代器。

erase(elem);                       
//删除容器中值为elem的元素。

0.5.set查找和统计:对set容器进行查找数据以及统计数据

find(key);          
//查找key是否存在,若存在，返回该键的元素的迭代器；
//若不存在，返回set.end();

count(key);                        
//对于set而言，统计key的元素个数
//只有两种结果:如果容器中不存在key，返回0; 否则，返回1

0.6.排序

set<int> st1;               
// 储存int的集合（从小到大）

set<int, greater<int>> st2; 
// 储存int的集合（从大到小）

1. set 与 multiset 的基本概念

• set：它是一种自动去重且按顺序排列的集合。每次插入元素时，set 会自动判断该元素是否已存在，若存在则不会插入。
• multiset：允许重复元素的集合，因此可以存储多个相同的元素。
• 关联容器：关联容器中的元素在插入时自动排序，因此不同于顺序容器如 vector 或 list，不需要手动排序。

2. set 容器的构造与赋值

在 C++ 中，set 提供了多种构造方式：

• 默认构造：set <int> st; 创建一个空的整数集合。
• 拷贝构造：set<int> st2(st); 从已有的集合 st 创建一个副本。
• 赋值操作：set& operator=(const set& st);可以通过重载的 = 操作符将一个集合的内容赋值给另一个集合。

构造与赋值实例:

void test0()
{
    // 1.默认构造
    set<int>s;
    s.insert(1);  // 插入元素1
    s.insert(-4); // 插入元素-4
    s.insert(2);  // 插入元素2
    s.insert(5);  // 插入元素5
    s.insert(8);  // 插入元素8
    s.insert(1);  // 插入重复元素1，自动忽略

    print(s);  // 打印集合中的元素，输出为：-4 1 2 5 8

    cout << endl;
    // 2.拷贝构造
    set<int>s2(s);  // 拷贝构造函数
    print(s2);  // 输出：-4 1 2 5 8

    cout << endl;
    // 3.赋值操作
    set<int>s3 = s2;  // 赋值操作符
    print(s3);  // 输出：-4 1 2 5 8
}

在此代码中，set 的插入操作可以看出，重复元素（如插入的 1）不会出现在集合中，这是 set 自动去重的特性。

3.遍历 set 容器

在 set 中，不能使用下标访问元素，因此遍历集合有两种常见方式：

• 使用迭代器遍历：通过迭代器访问集合元素，适合所有关联容器。
• 基于范围的 for 循环：简化迭代器操作，代码更加简洁。

迭代器遍历:

void print(set<int>& s)
 {
    for (set<int>::iterator it = s.begin(); it != s.end(); it++) 
    {
        cout << *it << " ";  // 输出每个元素
    }
    cout << endl;
    
    /*for (auto it = s.begin(); it != s.end(); it++)
	{
		cout << *it << " ";
	}*/
}

基于范围的 for 循环

void print(set<int>& s) 
{
    for (int elem : s) 
    {
        cout << elem << " ";  // 直接输出元素
    }
    cout << endl;
    
    /*for (auto it : s)
	{
		cout << it << " ";
	}*/
}

降序遍历：如果集合是降序排序的，例如使用
set<int, greater>，需要在定义迭代器时添加相应的比较器。

void print(set<int, greater<int>>& s) 
{
    for (set<int, greater<int>>::iterator it = s.begin(); it != s.end(); it++) 
    {
        cout << *it << " ";  // 输出降序排列的元素
    }
    cout << endl;
}

遍历操作

void test_traversal() 
{
    set<int> s;
    s.insert(5);
    s.insert(1);
    s.insert(3);
    s.insert(7);
    
    cout << "使用迭代器遍历 set：" << endl;
    print(s);  // 输出：1 3 5 7

    cout << "使用基于范围的 for 循环遍历 set：" << endl;
    print2(s);  // 输出：1 3 5 7
}

总结：遍历 set 的两种方式都非常直观，迭代器方式适合所有关联容器，而基于范围的 for 循环则能让代码更简洁。

5. set 容器的大小统计与交换

• size();返回集合中的元素数量。
• empty();检查集合是否为空，若为空返回 true，否则返回false。
• swap();交换两个集合的内容。

统计大小与交换：

void test1()
{
	//构造2个有数据的set容器
	set<int>s;
	s.insert(0);
	s.insert(1);
	s.insert(0);
	s.insert(9);
	s.insert(6);
	s.insert(11);
	

	set<int>s1;
	s1.insert(0);
	s1.insert(0);
	s1.insert(0);
	s1.insert(99);
	s1.insert(4);
	s1.insert(-1);


	cout << endl;
	
	//判断是否为空
	if (!s.empty()) 
	{
		cout << "s容器的长度为：" << s.size() << endl;
	}
	

	cout << endl;
	
	//交换
	cout<< "交换前：" << endl;
	cout << "s: " ;
	print(s);
	cout << endl << "s1:";
	print(s1);

	s.swap(s1);

	cout << endl << endl;
	cout << "交换后：" << endl ;
	cout << "s: " ;
	print(s);
	cout << endl << "s1: ";
	print(s1);
}

通过 swap() 操作，s 和 s1 的内容得到了交换。这样可以有效简化代码，避免使用临时变量来保存集合的内容。

6. set 容器的插入与删除操作

• insert(elem);向集合中插入元素。由于 set 自动排序，插入元素时不会指定位置。

删除元素有三种方式：

• erase(pos); 删除pos迭代器所指的元素，返回下一个元素的迭代器。

• erase(beg, end); 删除区间[beg,end)的所有元素 ，返回下一个元素的迭代器。

• erase(elem); 删除容器中值为elem的元素。

void test2()
{
	set<int>s1;
	s1.insert(100);
	s1.insert(100);
	s1.insert(20);
	s1.insert(0);
	s1.insert(44);
	s1.insert(12);
	s1.insert(666);
	s1.insert(9);

	print(s1);

	cout << endl;
	//删除迭代器指定元素
	s1.erase(s1.begin());//这里删掉的是第一个元素0，因为set容器自动排序
	print(s1);

	cout << endl;
	//删除指定元素
	s1.erase(20);
	print(s1);

	cout << endl;
	//删除迭代器指定区间元素
	s1.erase(s1.begin(), s1.end());
	//等价于清空操作：
	//s1.clear();
	cout <<"当前s1的大小为：" << s1.size() << endl;
}

在此代码中，我们展示了三种不同的 erase 操作，可以方便地删除单个元素或一组元素。

7. set 容器的查找与统计

find(key);
查找key是否存在,若存在，返回该键的元素的迭代器；
若不存在，返回set.end();

count(key);
对于set而言，统计key的元素个数
只有两种结果:如果容器中不存在key，返回0; 否则，返回1

查找与统计:

void test3()
 {
    set<int>s1;
    s1.insert(1);
    s1.insert(100);
    s1.insert(23);
    s1.insert(0);
    s1.insert(404);
    s1.insert(12);
    s1.insert(999);
    s1.insert(9);

    // 查找元素 404
    auto it = s1.find(404);
    if (it != s1.end()) {
        cout << "找到了元素 404" << endl;  // 输出：找到了元素404
    } else {
        cout << "未找到元素 404" << endl;
    }

    // 使用 count 统计元素个数
    int n = s1.count(404);
    cout << "s1 中元素 404 的个数为：" << n << endl;  // 输出：1
}

通过 find() 和 count() 函数，可以轻松实现元素的查找与存在性检查。

8. set 容器的排序特性

默认情况下，set 按照升序排列。可以通过
set<int, greater<int>> 指定降序排列。

• set<int> st1; 储存int的集合（从小到大）
• set<int, greater<int>> st2; 储存int的集合（从大到小）
  排序:

void test4()
{
	//默认构造
	set<int>s1;
	//等价于set<int, less<int>>s1;
	s1.insert(10);
	s1.insert(40);
	s1.insert(20);
	s1.insert(0);
	s1.insert(-10);

	print(s1);

	//降序构造，用到比较器greater(类型)
	cout << endl;
	set<int, greater<int>>s2;
	s2.insert(10);
	s2.insert(40);
	s2.insert(20);
	s2.insert(0);
	s2.insert(-10);

	print2(s2);
}

通过比较器 greater 可以实现集合的降序排列。

9.相关注意事项

9.1. 自动排序与元素唯一性

自动排序：set 会自动将插入的元素按升序（或根据提供的自定义比较器排序）进行排序。因此，插入顺序与实际存储顺序可能不同。

注意：由于 set 是自动排序的容器，插入操作可能会引发排序操作，这使得插入操作的平均时间复杂度为 O(log n)，适合需要快速查找和去重的场景。

元素唯一性：set 不允许重复元素。如果插入的元素已经存在于集合中，set 会自动忽略该元素。即使多次插入相同的值，集合中只会保留一个副本。

set<int> s;
s.insert(1);
s.insert(1);  // 插入重复元素，set 会自动忽略
print(s);     // 输出：1

9.2. 不能使用下标访问

与 vector 不同，set 作为关联容器不能通过下标访问元素，也不能像顺序容器那样直接修改元素。只能通过迭代器或基于范围的 for 循环来遍历集合。

set<int> s = {10, 20, 30};
// s[0] = 5;  // 错误！set 不能使用下标
for (int elem : s) 
{
    cout << elem << " ";  // 正确的遍历方式
}

9.3. 修改元素的限制

在 set 中，由于其自动排序的特性，不能直接通过迭代器修改元素的值。如果需要修改元素值，必须先删除该元素，然后插入新的值。

set<int> s = {10, 20, 30};
auto it = s.find(20);
if (it != s.end()) 
{
    s.erase(it);     // 先删除 20
    s.insert(25);    // 再插入新值 25
}
print(s);  // 输出：10 25 30

9.4. 迭代器的有效性

当删除或插入元素时，set 的迭代器可能会失效。特别是在删除操作中，如果需要使用迭代器操作，建议在删除之后重新获取下一个有效的迭代器。

set<int> s = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = s.begin();
while (it != s.end()) 
{
    if (*it == 3) 
    {
        it = s.erase(it);  // erase 返回下一个有效迭代器
    } 
    else 
    {
        it++;
    }
}
print(s);  // 输出：1 2 4 5

9.6. 自定义排序规则

如果需要按自定义顺序排序 set 中的元素，可以通过传入自定义的比较器来改变排序方式。例如，可以使用 greater 来实现降序排列，或者提供自定义的比较函数。

set<int, greater<int>> s = {10, 20, 30};
print2(s);  // 输出：30 20 10

9.8. 避免重复调用 find 和 count

如果你想要同时查找元素和统计某个元素的出现次数，不必重复调用 find() 和 count()，因为 count() 可以直接返回是否存在目标元素（对于 set，返回值只会是 0 或 1）。count() 本质上相当于 find() 的简化版。

set<int> s = {10, 20, 30};
if (s.count(20)) 
{
    cout << "元素 20 存在" << endl;
}