【C++】：set和map

1. 关联式容器

在初阶阶段，我们已经接触过STL中的部分容器，比如：vector、list、deque、forward_list(C++11)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。那什么是关联式容器？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。

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，即通过该应该单词，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;
  T1 first;
  T2 second;
  pair() 
    : first(T1()), second(T2())
  {}
  pair(const T1& a, const T2& b) 
    : first(a), second(b)
  {}
};

3. set

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：set、multiset、map、multismap。这四种容器的共同点是：使

用平衡搜索树(即红黑树)作为其底层结果，容器中的元素是一个有序的序列。下面一依次介绍每一个容器。

3.1 set的介绍

set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。

简而言之，set是一个key模型的容器，插入只需要插入key即可。

3.2 set的使用

3.2.1 set的模板参数列表

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

3.2.2 set的构造

3.2.3 set的迭代器

3.2.4 set的容量

3.2.5 set的修改操作

set是类似于搜索二叉树的一个树形结构容器，它是不支持对里面的数据进行修改的，并且在插入节点的时候如果set原本就存在和这个一样的数据，也是不能插入的，所以set中的insert返回值是一个pair，pair的first是一个迭代器，表示指向插入的位置，pair中的second是一个bool值，表示是否插入成功。

void Test_set1()
{
  //排序+去重
  set<int> s;
  s.insert(5);
  s.insert(2);
  s.insert(6);
  s.insert(1);
  s.insert(1);
  s.insert(2);
  //pair<set<int>::iterator, bool> ret1 = s.insert(5);
  auto ret1 = s.insert(5);
  cout << ret1.second << endl;
  //删除存在的元素
  s.erase(5);
  for (auto& e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
  //找到了返回该元素的迭代器，否则返回end的位置
  set<int>::iterator it = s.find(2);
  if (it != s.end())
  {
    s.erase(it);
  }
  for (auto& e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
  //查看一个元素在不在
  if (s.count(3))
  {
    cout << "3在" << endl;
  }
  else
  {
    cout << "3不在" << endl;
  }
}

3.2.6 其他接口

void test_set2()
{
  set<int> myset;
  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
  }
  itlow = myset.lower_bound(30);                // >= val值位置的iterator
  itup = myset.upper_bound(60);                 // >  val值位置的iterator
  myset.erase(itlow, itup);                     // 10 20 70 80 90
  for (auto e : myset)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
}
void test_set3()
{
  set<int> myset;
  for (int i = 1; i <= 5; i++)
  {
    myset.insert(i * 10);   // myset: 10 20 30 40 50
  }
  //pair<set<int>::const_iterator, set<int>::const_iterator> ret;
  auto ret = myset.equal_range(30);
  cout << "the lower bound points to: " << *ret.first << '\n';   // >= val
  cout << "the upper bound points to: " << *ret.second << '\n';  // > val
}

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：
• 7. set中的元素不允许修改
• 8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

3.3 multiset的介绍

multiset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)，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中再底层中存储的是<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：
• 7. multiset的作用：可以对元素进行排序

3.4 multiset的使用

multiset的使用接口与set的使用接口是一样的，只不过multiset可以允许存储在里面的数据重复，那么相比于set这里的equal_range就有很大的用处了：

void test_multiset()
{
  typedef multiset<int>::iterator It;
  int arr[] = { 10,20,50,30,40,60,30,30 };
  multiset<int> s;
  for (auto e : arr)
  {
    s.insert(e);
  }
  for (auto e : s)
  {
    cout << e << " ";  //10 20 30 30 30 40 50 60
  }
  cout << endl;
  std::pair<It, It> ret = s.equal_range(30);  //找到等于val值的区间
  s.erase(ret.first, ret.second);  //删除
  for (auto e : s)
  {
    cout << e << " ";     // 10 20 40 50 60
  }
  cout << endl;
}

还需要注意的是multiset中的find，如果有多个相同的值，返回的是第一个中序遍历得到的val的迭代器

4. map

4.1 map的介绍

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：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))。

4.2 map的使用

4.2.1 map的模板参数列表

• 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

注意：在使用map时，需要包含头文件。

4.2.2 map的构造

4.2.3 map的迭代器

4.2.4 map的容量

4.2.5 map的元素修改

void test_map1()
{
  map<string, string> dirt;
  dirt.insert(std::pair<string, string>("insert", "插入"));
  dirt.insert(std::pair<string, string>("erase", "删除"));
  dirt.insert(std::pair<string, string>("find", "查找"));
  dirt.insert(std::pair<string, string>("modify", "修改"));
  dirt.insert(make_pair("left", "左边"));
  dirt.insert(make_pair("right", "右边"));
  for (auto& e : dirt)
  {
    cout << e.first << ":" << e.second << endl;
  }
  cout << "------------" << endl;
  auto it = dirt.find("find");
  if (it != dirt.end())
  {
    dirt.erase(it);
  }
  for (auto& e : dirt)
  {
    cout << e.first << ":" << e.second << endl;
  }
}

这里再插入的时候可以使用pair实例化传参，也可以使用make_pair进行模板匹配传参，两者都可以，更推荐后者：

4.2.6 map元素的访问

我们来重点了解一下operator[]的使用：

key_type就是在构造map时传递的第一个参数key，这个值是不允许修改的。

mapped_type是与key对应的value，这个值是可以允许修改的。

operator[]返回的是key对应的val，那么这个返回的过程我们可以来具体的了解一下：

可以看到operator[]与insert也有一定的关系，所以我们来结合insert来一起研究一下：

insert的返回值是一个pair，插入成功和插入失败分别对应不同的迭代器，那么在使用operator[]时肯定会有插入的成分，所以在使用时要传递一个key类型的对象，然后先进行插入，插入成功返回key对应的val，插入失败返回已有的key对应的val，那么现在再来拆分一下它如何返回的。

了解到这里，我们就可以通过operator[]接口来实现一些有用的操作了，它的作用十分广泛，接下来让我们一一了解：

比如，要统计一个数组中各各元素出现的次数

先来演示普通的写法：使用map来进行统计，先遍历这个数组，如果该元素在map中已有存储，那么只需要将它的second++进行计数即可，如果map中没有这个元素，那么将该元素进行插入，并将它的value设置为1即可。

void test_map2()
{
  //统计次数
  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> countMap;
  //普通写法
  for (auto str : arr)
  {
    //遍历string然后在map中进行查找
    auto ret = countMap.find(str);
    if (ret != countMap.end())
    {
      ret->second++;  //存在将value++
    }
    else
    {
      countMap.insert(make_pair(str,1));  //不存在进行插入然后将value置为1
    }
  }
  for (auto& kv : countMap)
  {
    cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
  }
}

再来看看使用operator[]进行统计：

void test_map2()
{
  //统计次数
  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> countMap;
  //使用operator[]
  for (auto str : arr) //遍历string，依次使用[]进行统计
  {
    countMap[str]++; //返回的是value的值，对其++即可完成计数
  }
  for (auto& kv : countMap)
  {
    cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
  }
}

使用operator[]可以看到代码简单了不少，那么来简单的分析一下是怎么实现的，首先operator[]返回的是key对应的value，那么在这个场景中，如果我们传递的是“苹果”，那么首先会使用insert对“苹果”插入，如果之前就存在“苹果”，那么insert对应的返回值就是已经存在的“苹果”的位置，然后将它对应的value返回，如果不存在，进行插入，并且返回新插入的位置，然后将它对应的value返回，那么在这里再使用++即可完成对次数的统计。

operator[]用处很多，我们可以来用一下：

void test_map3()
{
  map<string, string> dirt;
  dirt.insert(make_pair("left", "左"));  //插入
  cout << dirt["left"] << endl; // 查找
  dirt["right"] = "右";      //插入+修改
  dirt["left"] = "混合";        //修改
  dirt["test"];        //插入
}

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
• 6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

4.3 multimap的介绍

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。

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（因为multimap是可以允许key重复的，如果存在operator[]，那么会造成数据的不清晰，影响访问）
• 4. 使用时与map包含的头文件相同

朋友们、伙计们，美好的时光总是短暂的，我们本期的的分享就到此结束，欲知后事如何，请听下回分解~，最后看完别忘了留下你们弥足珍贵的三连喔，感谢大家的支持！