4.关联式容器

news2024/9/28 7:16:02

关联式container

STL中一些常见的容器：

序列式容器（Sequence Containers）：
- vector（动态数组）： 动态数组，支持随机访问和在尾部快速插入/删除。
- list（链表）： 双向链表，支持在任意位置快速插入/删除。
- deque（双端队列）： 双端队列，支持在两端快速插入/删除。
容器适配器（Container Adapters）：
- stack（栈）： 后进先出（LIFO）的数据结构。
- queue（队列）： 先进先出（FIFO）的数据结构。
- priority_queue（优先队列）： 具有优先级的队列。
关联式容器（Associative Containers）：
- set（集合）： 有序集合，不允许重复元素。
- multiset（多重集合）： 有序集合，允许重复元素。
- map（映射）： 键-值对的集合，按键有序存储，不允许重复键。
- multimap（多重映射）： 键-值对的集合，按键有序存储，允许重复键。
无序关联容器（Unordered Associative Containers）：
- unordered_set： 无序集合，不允许重复元素。
- unordered_multiset： 无序集合，允许重复元素。
- unordered_map： 无序映射，按键无序存储，不允许重复键。
- unordered_multimap： 无序映射，按键无序存储，允许重复键。

关联式容器

关联式容器是指数据是键值对的格式。容器内部结构(可能是RB-tree或者hash-table)便依照其键值大小，以某种特定规则将这个元素放置于合适的位置，关联式容器没有所谓头尾(只有最大元素和最小元素)；所以不会有所谓push_back()、push_front()等行为的操作。

1.set

set中所有元素都会根据元素的键值自动被排序。std::set 使用红黑树（一种自平衡的二叉搜索树）作为底层数据结构。

set的元素不像map那样可以同时拥有key和value,set的键值就是实值。并且set不允许两个元素拥有相同的值。

迭代器

std::set 的迭代器性质：

递增顺序： std::set 中的元素是有序排列的，迭代器按照递增（升序）的顺序遍历元素。这是由底层平衡二叉搜索树的特性决定的。
双向迭代器： std::set 提供双向迭代器，支持向前（++）和向后（-）遍历。
随机访问特性的缺失： 与支持随机访问的容器（如 std::vector）不同，std::set 的迭代器不支持 +n 或 n 这样的随机跳跃，因为底层结构并不是一个连续的存储区域。
不能通过迭代器修改set键值，因为set的元素值关系到set元素的排列，随意改变值，会导致排列顺序崩溃，所以不不能通过迭代器修改set值。

因此插入和删除操作并不会使set迭代器失效。当然，被删除的哪个迭代器除外。

set的核心在于使用的红黑树的insert_unique插入数据。

在这里插入图片描述

2.map

map所有元素都会根据元素的键值自动被排序。std::map 也是使用红黑树（一种自平衡的二叉搜索树）作为底层数据结构。

map的所有元素都是pair，同时拥有实值(value)和键值(key)。pair的第一元素被视为键值，第二元素被视为实值。map不允许两个元素拥有相同的键值。

pair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){}    
};

map和set一样的核心在于使用的红黑树的insert_unique插入数据。

在这里插入图片描述

迭代器

map和set的迭代器性质一样。

递增顺序
双向迭代器
随机访问特性缺少
不能通过迭代器修改map键值。但是可以通过迭代器修改键值对应的实值。

int main() {
	std::map<int, std::string> myMap;

	// 插入元素
	myMap[1] = "One";
	myMap[2] = "Two";
	myMap[3] = "Three";

	// 使用迭代器遍历并修改值
	for (auto it = myMap.begin(); it != myMap.end(); ++it) {
		std::cout << "Key: " << it->first << ", Value: " << it->second << std::endl;

		//it->first = 4; //报错
		// 修改值
		it->second = "Modified";
	}
	for (auto it = myMap.begin(); it != myMap.end(); ++it) {
		std::cout << "Key: " << it->first << ", Value: " << it->second << std::endl;
	}
	return 0;
}

关联式容器的find方法

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3.multiset

multiset的特性以及用法和set完全相同，唯一的差别在于它允许键值重复。

它的底层机制是使用RB-tree的insert_equal()而非insert_unique()；

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4.multimap

与map的用法完全相同，唯一的差别在于，它允许键值重复。

它的底层机制是使用RB-tree的insert_equal()而非insert_unique()；

在这里插入图片描述

5.hashtable

上述提到的以红黑树做为底层结构的set、map，其查找的时间复杂度为对数，但是依赖于元素值是要有足够的随机性。例如输入数据完全有序或完全逆序，红黑树可能会退化成链表，导致性能下降至O(n)。

HashTable 是一种通过哈希函数将关键字映射到存储桶的数据结构。STL中的HashTable通常是一个数组，每个数组元素是一个链表或其他形式的容器。当有多个关键字哈希到同一个存储桶时，它们被放入同一个链表中。

使用哈希函数会遇到一个问题，可能有不同的元素被映射到相同的位置，这就是所谓的hash碰撞问题。解决hash碰撞问题有很多，包括线性探测、二次探测、开链法等。

线性探测

线性探测的基本操作：

插入操作：
- 根据散列函数计算键的散列值。
- 如果该位置为空，则将键值对插入该位置。
- 如果该位置已被占用，就向后线性探测，查找下一个空闲位置，直到找到一个空闲位置为止，然后插入键值对。
查找操作：
- 根据散列函数计算键的散列值。
- 如果该位置为空，表示键不存在。
- 如果该位置不为空，检查键是否匹配，如果匹配则找到了键，返回对应的值；否则，向后线性探测，查找下一个位置，直到找到匹配的键或者遇到空位置为止。
删除操作：
- 查找要删除的键。
- 如果找到，将该位置标记为空，表示删除该键。注意：在某些实现中，可以使用特殊的标记表示已删除的位置，而不是直接将位置设置为空。被叫做惰性删除，实际的删除操作等到整理表的时候再删。
具体的探测序列可以表示为：

二次探测

二次探测是解决散列表冲突的一种方法，类似于线性探测，但是在寻找下一个可用位置时，不是简单地线性向后移动，而是使用一个二次方程来计算下一个位置。这样可以更灵活地处理冲突，减少聚集的可能性。
在这里插入图片描述
二次探测的优点是相对于线性探测，能够更好地分散冲突，减少聚集问题。然而，如果HashTable的大小选择不当，仍然可能发生聚集问题。