set、map、multiset、multimap
- set、multiset的介绍和使用
- 1、关联式容器
- 2、键值对
- 3、树形结构的关联式容器
- 4、set
- set的介绍
- set的定义
- set的使用
- 5、multiset
- multiset的介绍
- multiset的使用
- map、multimap的介绍和使用
- 1、map的介绍
- map的定义
- insert插入函数
- map的迭代器
- find查找函数
- erase删除函数
- 其它函数
- 总结
- 2、multimap的介绍
- multimap的使用
set、multiset的介绍和使用
1、关联式容器
先前我们已经接触过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，即通过该英文单词，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、树形结构的关联式容器
根据应用场景的不同，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。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。下面依次介绍每一个容器。
4、set
set的介绍
- 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：logN
- set中的元素不允许修改，因为set在底层是用二叉搜索树来实现的，若是对二叉搜索树当中某个结点的值进行了修改，那么这棵树将不再是二叉搜索树。
- set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。
set的定义
- 构造空的set
set<int> s1;
- set的拷贝构造
set<int> s2(s1);
- 用[first, last)迭代器区间中的元素构造set
string s("hello world");
set<char> s3(s.begin(), s.end());
- 构造一个指定为大于的比较方式
set<int, greater<int>> s4;
set的使用
1、set的模板参数列表
template < class T, // set::key_type/value_type
class Compare = less<T>, // set::key_compare/value_compare
class Alloc = allocator<T> // set::allocator_type
> class set;
-
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
2、set的迭代器
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| begin | 返回set中起始位置元素的迭代器 |
| end | 返回set中最后一个元素后面的迭代器 |
| cbegin | 返回set中起始位置元素的const迭代器 |
| cend | 返回set中最后一个元素后面的const迭代器 |
| rbegin | 返回set第一个元素的反向迭代器，即end |
| rend | 返回set最后一个元素下一个位置的反向迭代器，即begin |
| crbegin | 返回set第一个元素的反向const迭代器，即cend |
| crend | 返回set最后一个元素下一个位置的反向const迭代器，即cbegin |
3、set的容量
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| bool empty ( ) const | 检测set是否为空，空返回true，否则返回false |
| size_type size() const | 返回set中有效元素的个数 |
4、set的修改操作
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| insert | 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> |
| void erase ( iterator position ) | 删除set中position位置上的元素 |
| size_type erase ( const key_type& x ) | 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 |
| swap | 交换set中的元素 |
| clear | 将set中的元素清空 |
| find | 返回set中值为val的元素的位置 |
| count | 值为val的元素存在则返回1，不存在则返回0 |
| lower_bound | 返回 >= val 的迭代器位置 |
| upper_bound | 返回 > val 的迭代器位置 |
- 示例如下：
迭代器 + insert
void test_set1()
{set<int> s;s.insert(4);s.insert(5);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(1);s.insert(3);s.insert(3);set<int>::iterator it = s.begin();while (it != s.end()){//有序+去重//*it = 10; err不允许修改cout << *it << " ";//1 2 3 4 5it++;}cout << endl;//范围forfor (auto e : s){cout << e << " "; //1 2 3 4 5}
}
find + erase + count
void test_set2()
{set<int> s;s.insert(4);s.insert(5);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(3);cout << s.erase(3) << endl;//1cout << s.erase(30) << endl;//0for (auto e : s){cout << e << " "; //1 2 4 5}cout << endl;set<int>::iterator pos = s.find(3);if (pos != s.end())s.erase(pos);for (auto e : s){cout << e << " "; //1 2 4 5}if (s.find(4) != s.end()){cout << "4存在" << endl;//4存在}if (s.count(4))//相较于find更加方便{cout << "4存在" << endl;//4存在}
}
lower_bound
void test_set3()
{set<int> s;s.insert(4);s.insert(5);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(3);s.insert(7);s.insert(9);for (auto e : s)cout << e << " ";//1 2 3 4 5 7 9cout << endl;//lower_bound返回 >= val的位置迭代器set<int>::iterator lowIt = s.lower_bound(3);cout << *lowIt << endl;//3lowIt = s.lower_bound(6);cout << *lowIt << endl;//7//要求删除 >= x 的所有值int x;cin >> x;//6lowIt = s.lower_bound(x);s.erase(lowIt, s.end());for (auto e : s)cout << e << " ";//1 2 3 4 5
}
upper_bound
void test_set4()
{set<int> s;s.insert(4);s.insert(5);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(3);s.insert(7);s.insert(9);for (auto e : s)cout << e << " ";//1 2 3 4 5 7 9cout << endl;//upper_bound返回 > val的位置迭代器set<int>::iterator upIt = s.upper_bound(5);//存在cout << *upIt << endl;//7upIt = s.upper_bound(6);//不存在cout << *upIt << endl;//7//删除 x <= val <= y的区间的值int x, y;cin >> x >> y;//x = 3, y = 7auto leftIt = s.lower_bound(x);auto rightIt = s.upper_bound(y);s.erase(leftIt, rightIt);for (auto e : s)cout << e << " ";//1 2 9cout << endl;
}
5、multiset
multiset的介绍
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- multiset底层结构为二叉搜索树(红黑树)。
注意：
- multiset中再底层中存储的是<value, value>的键值对
- mtltiset的插入接口中只需要插入即可
- 与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的
- 使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列
- multiset中的元素不能修改
- 在multiset中找某个元素，时间复杂度为O(logN)
- multiset的作用：可以对元素进行排序
multiset的使用
multiset和set的接口近乎一致，唯一不同于set的在于multiset允许键值冗余：
void test_set1()
{multiset<int> s;s.insert(4);s.insert(5);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(1);s.insert(3);s.insert(3);set<int>::iterator it = s.begin();while (it != s.end()){//排序cout << *it << " ";//1 1 2 3 3 4 5it++;}
}
正是multiset允许了键值冗余，所以multiset的两个函数接口find和count与set的也是有区别的：
| 成员函数count | 功能说明 |
|---|---|
| set对象 | 值为val的元素存在则返回1，不存在则返回0 |
| multiset对象 | 返回set中值为x的元素的个数 |
| 成员函数find | 功能说明 |
|---|---|
| set对象 | 返回值为val的元素的迭代器位置 |
| multiset对象 | 返回底层搜索树中序的第一个值为val的元素的迭代器 |
示例：
void test_set2()
{multiset<int> multiset;multiset.insert(4);multiset.insert(5);multiset.insert(2);multiset.insert(1);multiset.insert(1);multiset.insert(3);multiset.insert(3);multiset.insert(3);//1 1 2 3 3 3 4 5set<int> set(multiset.begin(), multiset.end());cout << multiset.count(1) << endl;//2 返回1的个数cout << set.count(1) << endl;//1 返回一个bool值，存在返回1cout << multiset.erase(1) << endl;//2 返回删除的1的个数cout << set.erase(1) << endl;//1 返回一个bool值，存在删除的值返回1auto pos1 = multiset.find(3); //返回中序的第一个3的迭代器while (pos1 != multiset.end()){cout << *pos1 << " ";//3 3 3 4 5pos1++;}
}
map、multimap的介绍和使用
1、map的介绍
- 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。
- 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;
- 在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的。
- 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)。
- 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))。
template<class Key, //map::Key_typeclass T, //map::mapped_typeclass Compare = less<Key>, //map::Key_compareclass Alloc = allocator<pair<const Key,T> //map::allocator_type>class map;
- 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。
map的定义
- 指定key和value构造一个空map
map<int, string> m1;
- 拷贝构造同类型map
map<int, string> m2(m1);
- 使用迭代器区间构造一块内容
map<int, string> m3(m2.begin(), m2.end());
- 构造一个指定大于的比较方式的map
map<int, string, greater<int>> m4;
insert插入函数
- insert函数声明：
pair<iterator,bool> insert (const value_type& x );
接口说明：
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代表释放插入成功。x的类型为value_type，而value_type即pair的别名：
typedef pair<const Key, T> value_type;
- 解释键值对：
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。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){}
};
因此，后续在使用insert时，首先用key和value构造一个pair对象，再把pair对象作为参数传入insert函数。
- 插入方式如下：
1、借助pair构造函数：
void test_map1()
{map<string, string> dict;pair<string, string> kv("byte", "字节");dict.insert(kv);
}
2、借助pair构造匿名对象插入：
void test_map1()
{map<string, string> dict;dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));
}
3、调用make_pair函数模板插入：
void test_map1()
{map<string, string> dict;dict.insert(make_pair("left", "左边"));//make_pair是库里的，不需要自己写
}
库里的make_pair源码如下：
template <class T1, class T2>
pair<T1, T2> make_pair(T1 x, T2 y)
{return (pair<T1, T2>(x, y));
}
4、使用{}
void test_map1()
{map<string, string> dict;dict.insert({ "right", "右边" });//C++11支持的写法，后续详谈
}
- insert函数返回值说明：
pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);
insert函数的返回值是一个pair对象，该pair对象中第一个成员的类型（pair::first）为指向新插入元素的迭代器或者没有插入成功（数据冗余），返回指向跟key相等的位置结点的迭代器，第二个成员的类型为一个bool类型，具体含义如下：
- 若待插入元素的键值key在map当中不存在，则insert函数插入成功，并返回插入后元素的迭代器和true。
- 若待插入元素的键值key在map当中已经存在，则insert函数插入失败，并返回map当中键值为key的元素的迭代器和false。
示例：
void test()
{map<string, string> dict;auto ret1 = dict.insert(make_pair("left", "左边"));auto ret2 = dict.insert(make_pair("left", "剩余"));
}
map的迭代器
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| begin()和end() | begin返回一个指向map第一个元素的迭代器，end返回指向末尾的迭代器 |
| cbrgin()和cend() | cbegin返回指向map中第一个元素的const迭代器，cend返回指向末尾的常量迭代器 |
| rbegin()和rend() | rbegin返回指向末尾的反向迭代器，rend返回指向起点的反向迭代器 |
| crbegin()和crend() | 与rbegin和rend位置相同，操作相同，但crbegin和crend所指向的元素不能修改 |
接下来即可对map进行遍历操作：
void test_map2()
{//插入map<string, string> dict;dict.insert(make_pair("left", "左"));dict.insert(make_pair("right", "右"));dict.insert(make_pair("front", "前"));dict.insert(make_pair("back", "后"));//遍历map<string, string>::iterator it = dict.begin();while (it != dict.end()){//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;cout << it->first << ":" << it->second << endl;it++;}cout << endl;//范围forfor (const auto& e : dict)cout << e.first << ":" << e.second << endl;
}
- 实例：统计各水果出现的次数
void test_map3()
{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;for (auto& str : arr){map<string, int>::iterator it = countMap.find(str);if (it != countMap.end()){it->second++;}else{countMap.insert(make_pair(str, 1));}}for (const auto& kv : countMap)cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
根据insert的特性，我们可以针对其进行优化：
void test_map3()
{string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };
//优化1：/*map<string, int> countMap;for (auto& str : arr){//pair<map<string, int>::iterator, bool> ret = countMap.insert(make_pair(str, 1));auto ret = countMap.insert(make_pair(str, 1));if (ret.second == false){ret.first->second++;}}*///优化2：map<string, int> countMap;for (auto& str : arr){countMap[str]++;}for (const auto& kv : countMap)cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
这里优化2的方式仅仅用了[]的运算符重载即可完成，接下来详细讲解[]运算符重载
- [ ]运算符重载函数原型声明：
mapped_type& operator[] (const key_type& k);
- 针对返回类型mapped_type 和 参数类型key_type的定义如下：
| 成员类型 | 定义 |
|---|---|
| key_type | The first template parameter (Key) |
| mapped_type | The second template parameter (T) |
- [ ]运算符重载函数的具体源码实现如下：
mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{return (*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first)).second;
}
针对该返回值，其主要是进行了两大步骤：
- 首先调用insert函数插入键值对返回迭代器ret
- 通过返回的迭代器ret调用元素值value
对应代码如下：
mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{//1、调用insert返回迭代器区间pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(k, mapped_type()));//2、利用ret调用value值return ret.first->second;//return (*(ret.first)).second;
}
前面我们已知mapped_type为第二个模板参数，也就是value，而mapped_type()就是构造了一个匿名对象，接下来主要分两种情况讨论：
- 如果k在map对象中，则插入失败，返回的bool类型为false，返回的迭代器为k所在结点的迭代器，而迭代器解引用*(ret.first)获得的就是pair，最后再通过pair访问到value值，整体可优化成ret.first->second，这里返回引用的好处为查找k对应v，修改k对应v。
- 如果k不在map对象中，则插入成功，返回的bool类型为true，返回的迭代器为新插入的k所在结点的迭代器位置，接着调用ret.first获得pair的迭代器，再通过->second获得value，这里返回引用的好处为插入和修改。
接下来回头看看前面统计水果出现次数的代码：
void test_map3()
{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;for (auto& str : arr){countMap[str]++;}for (const auto& kv : countMap)cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
这里就很容易感悟到这里仅仅一行代码完成了主要逻辑，归根揭底在于[ ]运算符重载内部封装了一层insert，这样满足了遇到不同的key值就插入，对应的value更新为1，若遇到相同的key值就查找，对应的value累计++从而统计次数，而这又归功于[ ]运算符重载内部返回引用的缘故。
这里再给出一组[ ]的例子：
void test()
{map<string, string> dict;auto ret1 = dict.insert(make_pair("left", "左边"));auto ret2 = dict.insert(make_pair("left", "剩余"));dict["operator"] = "重载";//插入 + 修改dict["left"] = "左边、剩余";//修改dict["erase"];//插入cout << dict["left"] << endl;//左边、剩余
}
这里就足矣体现出[ ]运算符重载的好处，既可以遇到新key像insert一样插入，又满足了insert未有的功能，查找并修改。
find查找函数
- 函数原型如下：
iterator find (const key_type& k);
const_iterator find (const key_type& k) const;
- 原理如下：
根据k值在map中寻找，找到后，返回对应k值位置的迭代器，若未找到，则返回map::end的迭代器。
- 示例：
void test_map()
{map<string, string> dict;dict.insert(make_pair("left", "左"));dict.insert(make_pair("right", "右"));dict.insert(make_pair("front", "前"));dict.insert(make_pair("back", "后"));string str;cin >> str;//输入leftmap<string, string>::iterator pos = dict.find(str);if (pos != dict.end()){cout << pos->first << " : " << pos->second << endl;//left : 左}else{cout << "没找到" << endl;}
}
erase删除函数
函数原型声明如下：
(1) void erase (iterator position);
(2) size_type erase (const key_type& k);
(3) void erase (iterator first, iterator last);
这里和set中的erase原理相册不大，下面直接给出测试用例：
void test_map()
{map<int, string> m;m.insert(make_pair(1, "one"));m.insert(make_pair(2, "two"));m.insert(make_pair(3, "three"));m.insert(make_pair(4, "four"));m.insert(make_pair(5, "five"));m.insert(make_pair(6, "six"));//指定key值删除cout << m.erase(3) << endl;map<int, string>::iterator pos = m.find(5);//删除迭代器区间if (pos != m.end()){m.erase(pos, m.end());//删除5到6的数字}for (const auto& kv : m){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}
}
其它函数
- 1、map的容量与元素访问
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| empty | 检测map中的元素是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回map中有效元素的个数 |
- 2、map中元素的修改
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| swap | 交换两个map中的元素 |
| clear | 清空map中的元素 |
| count | 返回key为x的键值在map中的个数，注意map中key是唯一的，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 |
总结
- map中的的元素是键值对
- 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(logN)
- 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。
2、multimap的介绍
- Multimap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。
- 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;
- 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。
- 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。
- 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的使用
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。
- 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允许冗余，导致key和value面临一对多的关系）
- 4、使用时与map包含的头文件相同
示例：
void test_multimap()
{multimap<string, string> dict;dict.insert(make_pair("left", "左边"));dict.insert(make_pair("left", "剩余"));dict.insert(make_pair("left", "左边"));
}
通过监视窗口可以看到：
multimap允许冗余，这也就导致其内部的find和count函数和map中的有所区别，如下：
| 成员函数count | 功能介绍 |
|---|---|
| map对象 | 值为key的元素存在则返回1，不存在则返回0 |
| multimap对象 | 返回set中值为key的元素的个数 |
| 成员函数find | 功能介绍 |
|---|---|
| map对象 | 返回键值为key的元素的迭代器位置 |
| multimap对象 | 返回底层搜索树中序的第一个值为key的元素的迭代器 |
