【C++高阶】探索STL的瑰宝 map与set：高效数据结构的奥秘与技巧

前言： 在编程的世界里，数据结构的选择往往决定了程序的效率和稳定性。而在C++的STL（Standard Template Library）库中，map和set无疑是两颗璀璨的瑰宝。它们以其独特的数据存储和检索方式，为我们提供了高效且有序的键值对存储和集合管理方案

map和set不仅拥有自动排序的特性，还提供了丰富的成员函数和迭代器接口，使得我们可以轻松地对其进行操作和管理。无论是在算法竞赛中，还是在日常编程中，它们都是不可或缺的工具

我们将从map和set的定义和特性开始，介绍它们的基本用法和常用成员函数。接着，我们将通过示例代码，展示如何在实际编程中使用它们。同时，我们还将探讨一些常见的错误用法和注意事项，帮助你避免在使用map和set时遇到坑

让我们一起踏上学习 map与set 的旅程，探索它带来的无尽可能！

📒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

关联式容器（Associative Containers） 是C++标准模板库（STL）中的一类重要容器，主要用于存储和快速检索键值对（key-value pairs）形式的数据。这类容器与序列式容器（如vector、deque、list）的主要区别在于，关联式容器中的元素是按照特定的排序准则（通常是键的大小）进行排序的，从而允许通过键来快速查找、插入和删除元素

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

概念： 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，比如我们上一篇所提到的kv模型结构 存在对应关系

SGI-STL中关于键值对的定义：(示例)

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. 树形结构的关联式容器

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
• 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

关联式容器是C++ STL中一类重要的容器，它们通过键值对的形式存储数据，并支持快速的查找、插入和删除操作。常见的关联式容器包括set、multiset、map和multimap等，它们在不同的应用场景下提供了高效的解决方案

📜4. set 与 multiset

🎩set的概念

概念： set 是 C++ 标准模板库 (STL) 中的一个关联式容器，它包含的元素是唯一的，且默认情况下元素会按照升序排序。set 的内部实现通常使用红黑树来保持其有序性和唯一性

• 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

特征：

• 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：l o g 2 n log_2 nlog2n
• set中的元素不允许修改
• set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现

🎈multiset的概念

概念：multiset 是 C++ 标准库 中的一个容器，它允许存储重复的元素。与 set 不同，set 中的元素是唯一的，而 multiset 中的元素可以重复

它与set唯一不同的一点就是 multiset 中的元素可以重复

简单演示一下差别

int main()
{
  int arr[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 7 };
  // 注意：multiset在底层实际存储的是<int, int>的键值对
  multiset<int> s(arr, arr + sizeof(arr)/sizeof(arr[0]));
  for (auto& e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

🧩set的使用

🌈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

🌞set的构造

构造代码实现（示例）：

int main()
{
  vector<int> v = { 1,5,7,6,3,4,5 };
  set<int> s1; // 构造空的set
  
  // 用[first, last)区间中的元素构造set
  set<int> s2(v.begin(),v.end()); 
  
  set<int> s3(s2); // set的拷贝构造
  
  return 0;
}

🌙set的迭代器

set的迭代器有点多，其中包括正向迭代器，反向迭代器；const迭代器与非const迭代器

因而有迭代器的存在，set可以跟方便的遍历整个结构

迭代器实现（示例）：

int main()
{
  vector<int> v = { 1,5,7,6,3,4,5 };
  set<int> s1;
  set<int> s2(v.begin(),v.end());
  set<int> s3(s2);
  // 输出s2的遍历结果
  auto it = s2.begin();
  while (it != s2.end())
  {
    cout << *it << " "; // 1 3 4 5 6 7
    it++;
  }
  return 0;
}

⭐set的其他函数操作

在set的这些函数中，用的最多的就是insert，find，erase

首先insert一般是直接插入元素，或者是一段迭代器区间，在直接插入一个元素时，它的返回值是pair

• 当插入成功时，first返回新位置的迭代器，然后second返回true;
• 当set中已经存在该元素时，插入失败，first返回已有元素位置的迭代器，然后second返回false

• find不用多说，在set中是找到则返回该位置迭代器
• 在multiset中是返回第一个该元素位置的迭代器

• erase在set中主要的作用就是删除该迭代器位置的元素，或者删除迭代器区间
  
• 第二种用法是针对multiset的，multiset可以有重复元素，因此可以返回删除元素的个数
  

这里介绍两个没有见过的函数upper_bound，lower_bound

• lower_bound：返回>=该值元素位置的迭代器
• upper_bound：返回>该值元素位置的迭代器

这两个函数通常可以和erase结合使用删除一段迭代器区间

📚5. map 与 multimap

🎩map的概念

概念： map 是 C++ 标准库中的一个关联容器，它存储的元素都是键值对（key-value pairs），并且键（key）是唯一的。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;

• 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
• 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))

🎈multimap的概念

概念： multimap 是 C++ 标准库 中的一个关联容器，它允许存储具有相同键的多个值。与 map 不同，map 中的键是唯一的，而 multimap 中的键可以重复

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
• multimap中没有重载operator[]操作

🧩map的使用

🌈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，默认按小于比较

🌞map的构造

int main()
{
  map<string,string>(); // 构造一个空的map
  return 0;
}

🌙map的迭代器

⭐map的其他函数操作

insert

在insert插入中，所需要的元素类型是value_type - > pair

map的成员类型

pair可以支持带参构造，无参构造和拷贝构造

map插入代码演示：

int main()
{
  map<string,string> d;
  d.insert(pair<string, string>("insert", "插入"));
  d.insert(pair<const char*, const char*>("find", "查找"));
  return 0;
}

而一般我们并不会这没写，因为有make_pair的存在，我们往往使用make_pair

make_pair是一个函数模板，他可以自己推演类型

int main()
{
  map<string,string> d;
  d.insert(make_pair("erase", "删除"));
  return 0;
}

operator[ ]

insert：插入成功 pair<新插入key所在节点的iterator， true>插入失败 pair<已经存在的key所在节点的iterator，false>

在使用operator[ ]时，它会自动插入一个元素，在插入成功时，返回该位置的second(默认为0)，在插入失败时，它就会返回已有位置的second

📖6. 总结拓展

💧在实际中的应用

这里推荐两个题目让大家巩固set与map

前K个高频单词

两个数组的交集

🔥总结

随着我们深入探讨STL（Standard Template Library）中的map和set，我们不难发现，这两个容器类型在C++编程中扮演着举足轻重的角色。它们不仅提供了高效的数据存储和检索机制，还通过其独特的性质解决了许多实际问题

在学习的过程中，我们领略了map如何以键值对的形式存储数据，并通过键来快速检索值。而set则以其独特的元素唯一性特点，为我们提供了一种确保集合中元素不重复的方法，然而学习之路永无止境。对于map和set的理解和应用，仅仅停留在基本的使用层面是远远不够的。我们需要进一步探索它们的高级用法

学习STL中的容器并不仅仅是为了掌握它们的使用方法。更重要的是，我们要学会如何根据问题的需求选择合适的容器类型，以及如何优化我们的代码以提高程序的性能和可维护性。在这个过程中，我们将会逐渐领悟到编程的精髓和乐趣，让我们一起在学习的道路上不断前行!