【C++】关联容器

简介: 【C++】关联容器

关联式容器

       在之前的文章中接触过STL部分容器,例如:vector、list、deque等等,这些容器统称为序列式容器,也称为顺序容器。

       关联式容器和顺序容器有着根本的不同:关联容器中的元素是按照关键字来保存和访问的;而顺序容器中的元素是按它们在容器中的位置来顺序保存和访问的。

       关联容器是用来存储数据的,与顺序容器不同的是,其里面存储的是< key,value >结构的键值对应,在数据检索时比序列容器效率更高。

       关联式容器支持高效的关键字查找和访问。俩个主要的关联容器是map和set。map中的元素是一些关键字-值(key-value)对:关键字起到索引的作用,值则表示与索引相关联的数据;set中每一个元素只包含一个关键字,set支持高效的关键字查询操作:检查一个给定关键字是否在set中。

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包含俩个成员变量key与value,key代表键值,value代表与key对应的信息。

       SGI-STL中键值对的定义:

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)
  {}
};

树形结构的关联式容器

在STL库中一共提供了8中关联容器,根据应用场景的不同,又可以将其分为俩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。这四种容器的共同点是:使用平衡搜索树(即红黑树)作为底层结果,容器中的元素是一个有序的列表。

而在STL中的8个容器间的不同体现在三个不同维度上:

  • 或者是一个set,或者是一个map;
  • 或者要求不重复的关键字,或者允许重复关键字;
  • 按顺序保存元素,或无序保存。
按照关键字有序保存元素
map 关联数组;保存关键字-值对
set 关键字即值,即只保存关键字的容器
multimap 关键字可以重复出现的map
multiset 关键字可以重复出现的set
无序排列
unordered_map 用哈希函数组织的map
unordered_set 用哈希函数组织的set
unordered_multimap 哈希组织的map;关键字可以重复出现
unordered_multiset 哈希组织的set;关键字可以重复出现

set

set的文档介绍

【解释说明】

  1. set是按照一定次序存储元素的容器。
  2. 在set中,元素的value也标识着(value就是key、类型是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。
  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在底层是使用二叉搜索树(红黑树)实现的。

set的特殊作用是可以用于去重;其去重原理是:当值已经存在,就不进行插入。

set的使用

set的模板参数说明

在set的模板参数列表可以看到,set有三个模板参数,分别是:

  • 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

set的构造

函数声明 功能介绍
explicit set (const key_compare& comp = key_compare(), const allocator_type& alloc = allocator_type());
构造空的set
template <class InputIterator>
set (InputIterator first, InputIterator last,
const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());
同[first,lats)区间中的元素构造set
set (const set& x);
set的拷贝构造
  set<int> s1;
 
  int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
  set<int> s2(arr, arr + 5);
 
  set<int> s3(s2);
 
  set<int> s4(s2.begin(), s2.end());
set的迭代器

iterator begin();

返回set中起始位置元素的迭代器。

const_iterator begin() const;

返回set中起始位置元素的const迭代器。

iterator end();

返回set中最后一个元素后面的迭代器。

const_iterator end() const;

返回set中最后一个元素后面的const迭代器。


reverse_iterator rbegin();

返回set第一个元素的反向迭代器,即end

const_reverse_iterator rbegin() const;

返回set第一个元素的反向const迭代器

reverse_iterator rend();

返回set最后一个元素下一个位置的反向迭代器,即begin

const_reverse_iterator rend() const;

返回set最后一个位置的const反向迭代器。


  int arr[] = { 1,3,4,2,5 };
  set<int> s(arr, arr + 5);
 
  set<int>::iterator it = s.begin();
  while (it != s.end())
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;
set的容量

bool empty() const;

检测set是否为空,空返回true,否则返回true。

  int arr[] = { 1,3,4,2,5 };
  set<int> s(arr, arr + 5);
 
  if (!s.empty())
  {
    cout << "非空" << endl;
  }

size_type size() const;

返回set中有效元素的个数。

  set<int> s;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s.insert(i * 10);
  }
 
  cout << s.size() << endl;
set的修改操作

pair insert (const value_type& val);

在set中插入元素x,实际插入的是< x,x >构成的键值对,如果插入成功,返回< 该元素在set中的位置,true >,如果插入失败,说明x在set中已经存在,返回< x在set中的位置,false >。

  set<int> s;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s.insert(i * 10);
  }
 
  set<int>::iterator it = s.begin();
  while (it != s.end())
  {
    cout << *it << " ";
    ++it;
  }
  cout << endl;

void erase (iterator position);

删除set中position位置上的元素。

size_type erase (const value_type& val);

删除set中值为x的元素,返回删除的元素的个数。

void erase (iterator first, iterator last);

删除set中[first,last)区间中的元素。

  set<int> s1;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s1.insert(i * 10);
  }
  s1.erase(10);
  s1.erase(15);
 
  for (auto e : s1)
  {
    cout << e << " ";
  }

void swap (set& x);

交换set中的元素。

  set<int> s1;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s1.insert(i * 10);
  }
  set<int> s2;
  s1.swap(s2);
 
  for (auto e : s1)
  {
    cout << e << " ";
  }

void clear();

将set中的元素清空。

  set<int> s;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s.insert(i * 10);
  }
  s.clear();

iterator find (const value_type& val) const;

返回set中值为x的元素的位置。

【注意】set的find()函数与库中的find()函数的底层实现不同,find()属于比较查找,时间复杂度最大为O(N),而库里面的find()属于暴力查找,时间复杂度为O(N)。

  set<int> s;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s.insert(i * 10);
  }
  if (s.find(10) != s.end())
  {
    cout << "找到了" << endl;
  }

size_type count (const value_type& val) const;

返回set中值为x的元素的个数。

【注意】count用于判断是否存在,因为里面的数据在set里面只能为1个或者没有,如果在multiset里则会不同。

  set<int> s;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s.insert(i * 10);
  }
 
  if (s.count(10))
  {
    cout << "找到了" << endl;
  }

iterator lower_bound (const value_type& val) const;

将迭代器返回到下限。

 【注意】lower_bound()函数找的是大于等于该值的数据

  set<int> s;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s.insert(i * 10);
  }
  set<int>::iterator itlow, itup;
  itlow = s.lower_bound(30);
  itup = s.upper_bound(50);
 
  s.erase(itlow, itup);
 
  for (auto e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }

iterator upper_bound (const value_type& val) const;

将迭代器返回至上限。

【注意】upper_bound()函数找的是大于该值的数据

  set<int> s;
  for (int i = 1; i < 10; ++i)
  {
    s.insert(i * 10);
  }
  set<int>::iterator itlow, itup;
  itlow = s.lower_bound(30);
  itup = s.upper_bound(50);
 
  s.erase(itlow, itup);
 
  for (auto e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }

pair equal_range (const value_type& val) const;

获得相等元素的范围。


  set<int>::iterator itlow, itup;
 
  std::pair<std::set<int>::const_iterator, std::set<int>::const_iterator> ret;
  ret = s.equal_range(20);
 
  itlow = ret.first;
  itup = ret.second;
  s.erase(itlow, itup);
 
  for (auto e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }

【总结】

  1. 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,所以可以使用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中的元素默认是按照小于来比较。
  6. set中查找某个元素,时间复杂度为logN。
  7. set中的元素不允许修改。
  8. set中的底层实现是使用二叉搜索树(红黑树)来实现的。

multiset

multiset的介绍

【文档说明】

  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也会识别自己,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。
  3. multiset元素的值不能再容器中进行修改,因为元素总是const的,但可以从容器中插入或删除。
  4. multiset容器通过key访问单个元素的速度通常比unordered_multiset容器慢,但当时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)。

multiset的使用

  int arr[] = { 3,2,6,4,7,1,9,4,0,2,2,3,4,5,6,6,5,4 };
  multiset<int> s(arr, arr + (sizeof(arr) / sizeof(arr[0])));
 
  for (auto& e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
 
  //寻找第一个3的位置
  multiset<int>::iterator pos = s.find(3);
  while (pos != s.end())
  {
    cout << *pos << " ";
    ++pos;
  }
  cout << endl;
 
  cout << s.count(6) << endl;
 
  pair<multiset<int>::const_iterator, multiset<int>::const_iterator> ret = s.equal_range(4);
  multiset<int>::iterator itlow, itup;
  itlow = ret.first;
  itup = ret.second;
 
  s.erase(itlow, itup);
  for (auto& e : s)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;

count和equal_range俩个函数在multiset中的使用更加有意义,equal_range寻找的范围是相等值的左闭右开。

【注意】

  1. multiset中在底层中存储的是< value,value >的键值对。
  2. multiset的插入接口只需要插入即可。
  3. 与set的区别是,multiset中的元素可以重复,在set中的元素是唯一的。
  4. 使用迭代器对multiset中的元素访问进行遍历,可以得到有序的序列。
  5. multiset中的元素不能修改。
  6. 在multiset中查找某个元素,时间复杂度为logN。
  7. multiset的作用:可以对元素进行排序。

map

map的文档介绍

【解释说明】:

  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的标识元素,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,可以与value通过成员类型value_type绑定在一起,为其取别名称为pair。
  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,更加准确的将:平衡二叉搜索树(红黑树)。

map的使用

map的模板参数说明

map中一共存在四个模板参数,分别为:

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进行比较的,缺省情况下按照小于来比较,一般情况下内置类型元素不需要传递,如果自定义类型无法比较时,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。

map的构造

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

构造一个空的map

map<string, int> dict;
map的迭代器

begin()与end()

begin首元素的位置,end最后一个元素的下一个位置。

rbegin()和rend()

反向迭代器,rbegin在end的位置,rend在begin的位置,其++和- -操作与begin和end操作移动相反。

  map<string, string>::iterator it = dict.begin();
  while (it != dict.end())
  {
    cout << it->first << ":" << it->second << endl;
    ++it;
  }
  cout << endl;
map的容量与元素访问

bool empty() const;

检测map中的元素是否为空,是返回true,否则返回false。

size_type size() const;

返回map中的有序元素的个数。

mapped_type& operator[] (const key_type& k);

返回key对应的value。

  map<string, string> dict;
  dict["sort"];//插入
  dict["map"] = "地图";//插入修改
  dict["map"] = "映射";//修改

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。

【注意】在元素访问的时候,有一个与operator[ ]类似的操作at(),该函数不经常使用,俩个函数都是通过key找到与key对应的value然后返回其引用,但是不同点是: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value,而at()函数直接抛异常。

map的修改操作

pair insert (const value_type& val);

在map中插入键值对x,注意x是一个键值对,返回值也是键值对:iterator代表新插入元素的位置,bool代表是否插入成功。

  //查找高频单词
  map<string, string> dict;
 
  pair<string, string> kv1("insert", "插入");
  dict.insert(kv1);
 
  dict.insert(pair<string, string>("string", "字符串"));
  //C++98
  dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
  //C++11
  dict.insert({ "data","数据" });

C++11中支持多参数的构造函数隐式类型转换。pair是一个类模板。

void erase (iterator position);

删除position位置上的元素。

size_type erase (const key_type& k);

删除键值为x的元素。

void erase (iterator first, iterator last);

删除[first,last)区间中的元素。

void swap (map& x);

交换俩个map中的元素。

void clear();

将map中的元素清空。

iterator find (const key_type& k);

在map中插入key为x的元素,找到返回该元素的位置的迭代器,否则返回end。

const_iterator find (const key_type& k) const;

在map中国插入key为x的元素,找到返回该元素的位置的const迭代器,否则返回rend。

size_type count (const key_type& k) const;

返回key为x的键值在map中的个数,注意map中key唯一的,因此该函数的返回值要么为0,要么为1,因此也可以用该函数来检测一个key是否在map中。

iterator lower_bound (const key_type& k);

const_iterator lower_bound (const key_type& k) const;

返回迭代器的下限。

iterator upper_bound (const key_type& k);

const_iterator upper_bound (const key_type& k) const;

返回迭代器的上限。

获取相等元素的范围。

【总结】

  1. map中的元素是键值对。
  2. map中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(红黑叔),查找效率比较高logN。
  6. 支持[ ]操作符,operator[ ]中实际进行插入查找。

multimap

multimap的介绍

【文档说明】

  1. multimap是关联式容器,按照特定的顺序,存储由key和value映射成的键值对< key,value >,其中多个键值对直接的key是可以重复的。
  2. 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。
  3. key与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。
  4. 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继续排序。
  5. 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。
  6. multimap在底层用二叉搜索树(红黑树)实现的。

【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的使用

【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。
  4. 使用时与map包含的头文件相同。

 

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