👻内容专栏：C/C++编程
🐨本文概括：关联式容器的介绍、set、multiset、map、multimap。
🐼本文作者：阿四啊
🐸发布时间：2023.11.27
一、关联式容器的介绍
在之前C++的学习之中，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。
那么什么是关联式容器？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
<
k
e
y
,
v
a
l
u
e
>
<key, value>
<key,value>结构的键值对，在数据检索时比序列式容器效率更高。
二、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 与value，key代表键值，value表示与key对应的信息。比如：在上一章节二插搜索树BStree的kv模型，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)
{}
};
三、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。其中哈希结构我们会在下次讲到。树形结构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。
3.1 set
3.1.1 set 的介绍
注：
1.set是按照一定次序存储元素的容器。
2. 与map/multimap不同，map/multimap中存储的是真正的键值对
<
k
e
y
,
v
a
l
u
e
>
<key, value>
<key,value>，set中只放value，但在底层实际存放的是由
<
v
a
l
u
e
,
v
a
l
u
e
>
<value, value>
<value,value>构成的键值对。
3. 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(元素一直被const修饰)，但是可以从容器中插入或删除它们。
4. 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中的元素默认按照小于来比较。
5. set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。
6. 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。
7. set在底层是用二叉搜索树*(红黑树)实现的。
8. set查找元素的时间复杂度接近于完全二叉树，为：
O
(
l
o
g
2
N
)
O(log_2 N)
O(log2N)
3.1.2 set 的使用
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。
2. set 的构造
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| set (const Compare& comp = Compare(), const Allocator&= Allocator() ); | 构造空的set |
| set (InputIterator first, InputIterator last, constCompare& comp = Compare(), const Allocator& =Allocator() ); | 用[first, last)区间中的元素构造set |
| set ( const set& x); | set的拷贝构造 |
void test_set1()
{
set<int> s1; // 构造空的set
int a[] = { 6, 9, 5, 2, 10, 4, 6, 1, 5, 8, 3, 1, 7 };
set<int> s2(a, a + sizeof a / sizeof * a);//利用数组a的区间中的元素进行构造set
set<int> s3(s2);//拷贝构造
//范围for循环遍历
for (auto& e : s3)
{
cout << e << " ";
}
//结果：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
//说明set能够去重
}
3. set的迭代器
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| iterator begin() | 返回set中起始位置元素的迭代器 |
| iterator end() | 返回set中最后一个元素后面的迭代器 |
| const_iterator cbegin() const | 返回set中起始位置元素的const迭代器 |
| const_iterator cend() 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 |
| reverse_iterator rend() | 返回set最后一个元素下一个位置的反向迭代器，即rbegin |
| const_reverse_iterator crbegin() const | 返回set第一个元素的反向const迭代器，即cend |
| const_reverse_iterator crend() const | 返回set最后一个元素下一个位置的反向const迭代器，即crbegin |
void test_set2()
{
int a[] = { 6, 9, 5, 2, 10, 4, 6, 1, 5, 8, 3, 1, 7 };
set<int> s(a, a + sizeof a / sizeof * a);//利用数组a的区间中的元素进行构造set
//正向迭代器遍历
set<int>::iterator it = s.begin();
while (it != s.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
//反向迭代器遍历
set<int>::reverse_iterator rit = s.rbegin();
while (rit != s.rend())
{
cout << *rit << " ";
rit++;
}
cout << endl;
}
4. 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true |
| size_type size() const | 返回set中有效元素的个数 |
5. set 的修改
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| pair<iterator,bool> insert (const value_type& x ) | 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( constkey_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 |
| void swap (set<Key,Compare,Allocator>&st ); | 交换set中的元素 |
| void clear ( ) | 将set中的元素清空 |
| iterator find ( const key_type& x ) const | 返回set中值为x的元素的位置 |
| size_type count ( const key_type& x ) const | 返回set中值为x的元素的个数 |
void test_set3()
{
//插入
set<int> s;
s.insert(2);
s.insert(5);
s.insert(6);
s.insert(7);
set<int>::iterator it;
pair<set<int>::iterator, bool> ret = s.insert(5); // 不会插入成功，second为false
if (ret.second == false) it = ret.first; //从插入失败的位置开始往后遍历
while (it != s.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
//删除
set<int> s2;
set<int>::iterator it2;
//插入元素
for (int i = 1; i < 10; i++) s2.insert(i * 10); // 10 20 30 40 50 60 70 80 90
it2 = s2.begin();
++it2; // "it" points now to 20
s2.erase(it2);//根据元素位置删除
//s2.erase(s.end());//error 若删除不存在元素的位置会报错
s2.erase(40);//直接删除存在的元素 若不存在不会报错
it2 = s2.find(60);//60之后的元素都被删除
s2.erase(it2, s2.end());
for (auto& e : s2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//10 30 50
// s2中值为10的元素出现了几次
cout << s2.count(10) << endl;
}
3.2 multiset
3.2.1 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
< v a l u e , v a l u e > <value, value> <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)。- 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。 - 在
multiset中查找元素，时间复杂度为 O ( l o g 2 N ) O(log_2 N) O(log2N)
3.2.2 multiset的使用
multiset容器与set容器实现和接口基本一致，唯一区别就是，multiset允许键值冗余，即multiset器当中存储的元素是可以重复的。
⚠️注意：对于find来说，如果有多个相同的元素val，multiset返回底层搜索树中序的第一个元素val的迭代器。
此处只简单演示set与multiset的不同，其他接口与set相同，参考set即可。
void test_multiset()
{
multiset<int> ms;
ms.insert(1);
ms.insert(1);
ms.insert(1);
ms.insert(2);
ms.insert(2);
ms.insert(2);
ms.insert(3);
ms.insert(3);
ms.insert(4);
// 注意：multiset在底层实际存储的是<int, int>的键值对
for (auto& e : ms)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//元素2出现的次数
cout << ms.count(2) << endl;
//auto ret = ms.equal_range(2);
删除 [>=val, >val] 的元素
//ms.erase(ret.first, ret.second);
//删除所有的2
ms.erase(2);
for (auto& e : ms)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
3.3 map
3.3.1 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底层实现为平衡二叉搜索树(红黑树))。
3.3.2 map的使用
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。
2.map的构造
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| map()； | 构造空的map |
| map (InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare())； | 用[first, last)区间 中的元素构造map |
| map ( const map& x)； | map的拷贝构造 |
3.map的迭代器
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| begin()和end() | begin:首元素的位置，end最后一个元素的下一个位置 |
| cbegin()和cend() | 与begin和end意义相同，但cbegin和cend所指向的元素不能修改 |
| rbegin()和rend() | 反向迭代器，rbegin在end位置，rend在begin位置，其++和–操作与 begin和end操作移动相反 |
| 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 |
void test_map1()
{
map<string, string> dict;
dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));
dict.insert(pair<string, string>("insert", "插入"));
dict.insert(pair<const char*, const char*>("left", "左边"));
dict.insert(make_pair("erase", "删除"));//推荐写
string s1("string"), s2("字符串");
dict.insert(make_pair(s1, s2));
map<string, string>::iterator it = dict.begin();
while (it != dict.end())
{
cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
cout << it.operator->()->first << ":" << it.operator->()->second << endl;
cout << it->first << ":" << it->second << endl;
it++;
}
cout << endl;
for (auto& kv : dict)
{
//kv.first += 'x';//不可被修改
kv.second += 'x';
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
}
4.map的容量与元素访问
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| 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中有效元素的个数 |
| mapped_type& operator[] (const key_type& k) | 返回key对应的value |
5.map中元素的修改
| 函数声明 | 功能介绍 |
|---|---|
| pair<iterator,bool> insert (const value_type& x ) | 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 |
| void erase ( iterator position ) | 删除position位置上的元素 |
| size_type erase ( const key_type& x ) | 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<Key,T,Compare,Allocator>&mp ) | 交换两个map中的元素 |
| void clear ( ) | 将map中的元素清空 |
| iterator find ( const key_type& x) | 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& x ) const | 在map中插入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cend |
| size_type count ( const key_type& x ) const | 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 |
void test_map2()
{
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)
{
auto ret = countMap.find(str);
if (ret == countMap.end())
{
//没找到，说明第一次出现，插入即可
countMap.insert(make_pair(str, 1));
}
else
{
//找到次数++
ret->second++;
}
//以上等价于
//countMap[str]++;
}
for (auto& kv : countMap)
{
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
}
operator[]的使用：
void test_map3()
{
map<string, string> m;
// 向map中插入元素的方式：
// 将键值对<"peach","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<"banana","香蕉">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
m.insert(make_pair("banana", "香蕉"));
// 借用operator[]向map中插入元素
/*
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，pair<已经存在key所在节点的iterator，false>
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，pair<新插入key所在节点的iterator，true>
operator[]函数最后将insert返回值键值对中的value返回
*/
// 将<"apple", "">插入map中，插入成功，返回value的引用，将“苹果”赋值给该引用结果，
m["apple"] = "苹果";
// key不存在时抛异常
//m.at("waterme") = "水蜜桃";
cout << m.size() << endl;
// 用迭代器去遍历map中的元素，可以得到一个按照key排序的序列
for (auto& e : m)
cout << e.first << "--->" << e.second << endl;
cout << endl;
// map中的键值对key一定是唯一的，如果key存在将插入失败
auto ret = m.insert(make_pair("lemon", "柠檬"));
if (ret.second)
cout << "<lemon, 柠檬>不在map中, 已经插入" << endl;
else
cout << "键值为lemon的元素已经存在：" << ret.first->first << "--->"
<< ret.first->second << " 插入失败" << endl;
// 删除key为"apple"的元素
m.erase("apple");
if (1 == m.count("apple"))
cout << "apple还在" << endl;
else
cout << "apple被吃了" << endl;
}
3.4 multimap
3.4.1 multimap的介绍
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 < k e y , v a l u e > <key,value> <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：
- 对于
find来说multimap返回底层搜索树中序的第一个键值为key的元素的迭代器。 - 由于
multimap容器允许键值冗余，调用[]运算符重载函数时，应该返回键值为key的哪一个元素的value的引用存在歧义，因此在multimap容器当中没有实现[]运算符重载函数。
3.4.2 multimap的使用
void test_multimap()
{
multimap<string, string> m;
m.insert(make_pair("left", "左边"));
m.insert(make_pair("left", "剩余"));
m.insert(make_pair("left", "左边"));
for (auto& kv : m)
{
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
}
