C++:map和set类

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。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

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，即通过该应

该单词，在词典中就可以找到与其对应的中文含义。

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。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.下面一依次介绍每一个容器

set

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。

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。

5. set在底层是用二叉搜索树(红黑树)实现的。

注意：

1. 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。

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(因此可以使用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中的元素默认按照小于来比较

6. set中查找某个元素，时间复杂度为： $log_2 n$

7. set中的元素不允许修改(为什么?)

8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现

set的使用

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, const Compare& comp = Compare(), const Allocator& = Allocator() );	用 [first, last) 区间中的元素构造 set
set ( const set<Key,Compare,Allocator>& x);	set 的拷贝构造

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 begin
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 cbegin

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

set 修改操作

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 ( 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
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

补充:

lower_bound

iterator lower_bound (const value_type& val);
const_iterator lower_bound (const value_type& val) const;

该函数将返回一个指向不小于val的第一个元素的迭代器

upper_bound

 iterator upper_bound (const value_type& val);
const_iterator upper_bound (const value_type& val) const;

该函数将返回一个指向大于val的第一个元素的迭代器

multiset

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。

3. 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。

4. multiset容器通过key访问单个元素的速度通常比unordered_multiset容器慢，但当使用迭

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)。

注意：

1. multiset中再底层中存储的是 <value, value> 的键值对

2. mtltiset的插入接口中只需要插入即可

3. 与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set中value是唯一的

4. 使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列

5. multiset 中的 元素不能修改

6. 在 multiset 中找某个元素，时间复杂度为 $O(log_2 N)$

7. multiset 的作用：可以对元素进行排序

#include <set>
void TestSet()
{
  int array[] = { 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(array, array + sizeof(array)/sizeof(array[0]));
 for (auto& e : s)
 cout << e << " ";
 cout << endl;
 return 0;
}

map

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;

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，就可以找到与key对应的value。

6. 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))。

map的使用

函数声明	功能介绍
map()	构造一个空的 map
map(const map &x)	拷贝构造

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

map 的容量与元素访问

函数声明	功能简介
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

问题：当key不在map中时，通过operator获取对应value时会发生什么问题？

注意：在元素访问时，有一个与 operator[] 类似的操作 at()( 该函数不常用 ) 函数，都是通过

key 找到与 key 对应的 value 然后返回其引用，不同的是：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 ， at() 函数直接抛异常 。

//pair<K,V>
V& operator[](const K& key)
{
	// 不管插入成功还是失败，pair中iterator始终指向key所在节点的iterator
	pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
	iterator it = ret.fisrt;
	return it->second;
}

key存在，插入失败返回 --> pair<存在的key所在节点的迭代器，false>

key不存在，插入成功返回 --> pair<新插入key所在节点的迭代器，true>

string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜",
"苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉","苹果","草莓", "苹果","草莓" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& e : arr)
	{
		countMap[e]++;
		//auto it = countMap.find(e);
		//if (it != countMap.end())
		//{
		//	it->second++;
		//}
		//else
		//{
		//	//const pair<string, int>& val = { e, 1 };
		//	countMap.insert({ e, 1 });
		//}
	}

	for (auto& kv : countMap)
	{
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
	cout << endl;

map 中元素的修改

函数声明	功能简介
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

  map<string, string> dict;
	pair<string, string> kv1("sort", "排序");
	dict.insert(kv1);
	dict.insert(pair<string, string>("left", "左边"));
	dict.insert(make_pair("right", "右边"));
	dict.insert(make_pair("right", "xxxx"));


	// 隐式类型转换
	//pair<string, string> kv2 = { "string", "字符串" };
	dict.insert({ "string", "字符串" });


	//map<string, string>::iterator it = dict.begin();
	auto it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		// iterator key不能修改 value可以修改
		// const_iterator key不能修改 value不能修改
		//it->first += 'x';
		it->second += 'x';

		//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		//cout << it.operator->()->first << ":" << it.operator->()->second << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto& kv : dict)
	{
		//auto& [x, y] = kv;
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
	cout << endl;

	/*for (auto& [x, y] : dict)
	{
		cout << x << ":" << y << endl;
	}
	cout << endl;*/

	//map<string, string> dict2 = { {"string", "字符串"}, {"left", "左边"},{"right", "右边"} };
	map<string, string> dict2 = { kv1, {"left", "左边"},{"right", "右边"} };

#include <string>
#include <map>
void TestMap()
{
 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<"peach","桃子">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
 m.insert(make_pair("banan", "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
  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
 */
    // 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("peach", "桃色"));
 if (ret.second)
 cout << "<peach, 桃色>不在map中, 已经插入" << endl;
 else
 cout << "键值为peach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;
}

【总结】

1. map中的的元素是键值对

2. map中的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(红黑树)，查找效率比较高$O(log_2 N)$

6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

multimap

1. 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<key,

value>，其中多个键值对之间的 key是可以重复的 。

2. 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;

3. 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。

4. 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。

5. multimap在底层用二叉搜索树(红黑树)来实现。