【C++】树形结构的关联式容器：set、map、multiset、multimap的使用

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      ✨专栏：C/C++

目录

一、set的简单介绍和使用

🌟set的介绍

🔥注意：

🌠小贴士：

🌟set的使用

✨set的构造

✨set的迭代器

​编辑

✨set的容量

✨set的修改

🌠小贴士：

二、map的简单介绍和使用

🌟map的介绍

🌟map的使用

​编辑

🌠小贴士：<1> make_pair

🌠小贴士：

三、multiset的简单介绍和set的区别

🌟multiset的介绍

🌟与set的区别

四、multimap的简单介绍和map的区别

🌟multimap的介绍

🌟与map的区别

五、底层结构

一、set的简单介绍和使用

🌟set的介绍

 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：

 • 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；

 • 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：log₂n

🌠小贴士：

<1>序列式容器和关联式容器

      • 序列式容器：vector、list、deque、forward_list(C++)等，因为底层为线性序列的数据结构，里面存储的是元素本身。

      • 关联式容器：set、map、multiset、multimap等，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。 

<2>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对应的关系。

    •  SGI-STL中关于键值的定义：

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)
{}

};

🌟set的使用

  •  T ：set中存放元素的类型，实际在底层存储<value，value>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

✨set的构造

 使用set时要包含头文件 include<set> 

set (const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());

set (InputIterator first, InputIterator last,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());

set (const set& x);

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

int main()
{
	set<int> s;//构造空的set

	s.insert(5);
	s.insert(4);
	s.insert(3);
	s.insert(7);
	s.insert(6);
	s.insert(2);

	set<int>::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	set<int> s1(s.begin(), s.end());//用[first，last)区间中的元素构造set
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	set<int> s2(s1);//set的拷贝构造
	for (auto e : s2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

✨set的迭代器

int main()
{
	int array[] = { 75,23,65,42,13 };
	set<int> myset(array, array + 5);
	
	// begin() 、 end()
	set<int>::iterator it = myset.begin();
	while (it != myset.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	//rbegin() 、 rend()
	set<int>::reverse_iterator rit = myset.rbegin();
	while (rit != myset.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	//cbegin() 、 cend()
	set<int>::const_iterator cit = myset.cbegin();
	while (cit != myset.cend())
	{
		cout << *cit << " ";
		++cit;
	}
	cout << endl;

	//crbegin() 、crend()
	set<int>::const_reverse_iterator crit = myset.crbegin();
	while (crit != myset.crend())
	{
		cout << *crit << " ";
		++crit;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

✨set的容量

int main()
{
	set<int> s;

	cout << s.size() << endl;

	if (s.max_size() > 10)//用于检查集合是否允许插入10个元素
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			s.insert(i);
		}
	}

	while (!s.empty())
	{
		cout << *s.begin() << " ";
		s.erase(s.begin());
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

✨set的修改

pair<iterator,bool> insert (const value_type& val)

void erase (iterator position)

size_type erase (const value_type& val)

void erase (iterator first, iterator last)

void swap (set& x)

void clear()

iterator find (const value_type& val) const

size_type count (const value_type& val) const

int main()
{
	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 << s.size() << endl;

	//正向打印set中的元素，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;

	return 0;
}

🌠小贴士：

算法库里的 find() 的 set中的 find() 在效率上有显著的差异：

 • 算法库里面的 find() 是模板，查找数据时，时从头到尾进行遍历查找，时间复杂度为O(N); 

 • set中的 find() 在查找时会按照底层的搜索二叉树的规则进行查找，时间复杂度为O(logN);

 • erase() ，删除不存在的值不会报错，有就删，没有就不删，我们可以通过返回值判断删除是否成功。

二、map的简单介绍和使用

🌟map的介绍

1、map是关联式容器，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通常用于排序和唯一的标识元素，而值value中存储与键值 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））。

🌟map的使用

  •  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

注意：在使用map时，需要包头文件。

✨map的构造

map (const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type())

 map (InputIterator first, InputIterator last,
       const key_compare& comp = key_compare(),
       const allocator_type& alloc = allocator_type())

map (const map& x)

用法和set类似，这里就不过多的赘述了。值得注意的是，这里的初始化有多种方式：

#include<map>
#include<string>

int main()
{
	//map<string, string> m;//无参构造
	//pair<string, string> kv1("left", "左边");//有名对象的带参构造
	//m.insert(kv1);

	//m.insert(pair<string, string>("right", "右边"));//匿名对象初始化

	//m.insert(make_pair("insert", "插入"));

	//pair<string, string> kv2 = { "string","字符串" };
	//m.insert({ "string","字符串" });//单参数的隐式类型转换

	//多参数的隐式类型转换
	map<string, string> m = { {"left", "左边"}, {"right", "右边"},{"insert", "插入"},{ "string", "字符串" } };

	map<string, string>::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//cout << *it << " ";//make_pair不支持流插入和流提取
		//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto& e : m)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;

	for (auto& [x, y] : m)//C++17可用
	{
		cout << x << ":" << y << endl;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

🌠小贴士：
<1> make_pair

• 构造一个pair对象，其第一个元素设置为x，第二个元素设为y；

• 模板类型可以从传递给make_pair的参数中隐式推断出来；

• 如果相应的类型是隐式可转换的，则可以从包含不同类型的其他对对象构造对对象。

• make_pair 不支持流插入和流提取

∆允许把构造pair的两个参数传给它，推断出来后，自己去构建一个匿名对象pair，再进行返回。

<2>从以上代码的运行结果，我们可以看到我们初始化的顺序和最终的运行结果并不一样，因为map是按key去排序，key是string，string重载了operator>()、operator<()来比较大小，按照ASCII码进行比较。

<3>  for (auto& [x, y] : m)//C++17可用

✨map的迭代器

用法和set类似，这里就不演示了。 

✨map的容量与元素访问

int main()
{
	string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };
	map<string, int> countTree;
	for (const auto& str : arr)
	{
		countTree[str]++;
	}

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

	//int i = int();
	//int j = int(10);

	return 0;
}

 🌠 operator[]的原理是：

用构造一个键值对，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 。 

int main()
{
	map<string, string> m;

	//向map中插入元素的方式
	//将键值对<"pach","桃子">插入map中，用pair直接来构造键值对
	m.insert(pair<string, string>("peach", "桃子"));

	//将键值对<"sort", "排序">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
	m.insert(make_pair("sort", "排序"));

	//借用operator[]向map中插入元素
	//插入+修改
	m["left"] = "左边";

	//修改
	m["left"] = "左边、剩余";

	//key不存在->插入<"insert","">
	m["insert"];

	//key存在->查找
	cout << m["left"] << endl;

	return 0;
}

✨map的修改

🌠小贴士：

     •  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(log₂N)

     •  支持 [ ] 操作符，operator[]中实际进行插入查找。

三、multiset的简单介绍和set的区别

🌟multiset的介绍

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)。

🌟与set的区别

1. multiset中在底层中存储的是的键值对

2. multiset的插入接口中只需要插入即可

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(log₂ N)

7. multiset的作用：可以对元素进行排序

8、当进行删除时，会全部删除相同的的元素，此时删除会出现迭代器失效的问题，需要用一个迭代器进行保存。

四、multimap的简单介绍和map的区别

🌟multimap的介绍

 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，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 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。

🌟与map的区别

 •  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。

 •  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

 •  multimap中没有重载operator[]操作，因为key是唯一的，而value不唯一，operator[]查找时，不知道返回哪个value值。

 •  使用时与map包含的头文件相同

五、底层结构

从前面的介绍中，我们知道set/map/multiset/multimap的底层实现的都是按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。

具体实现我们尽请期待下一篇的更新~

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