C++—— set、map、multiset、multimap的介绍及使用

news2024/11/25 20:43:16

目录

关联式容器

关联式容器的特点和使用场景

树形结构与哈希结构 

树形结构

哈希结构

键值对 

set

 set的介绍

set的定义方式

 set的使用

multiset

map 

map的介绍

map的定义方式

map的使用

multimap 

关联式容器

C++标准模板库（STL）中的关联式容器（Associative Containers）是一类根据键值对元素进行存储和操作的数据结构。它们允许快速查找、插入和删除操作，并且通常是基于树或哈希表实现的。C++ STL中的关联式容器包括四种主要类型：

  1. std::set 和 std::multiset：

    • std::set 是一种集合，其中每个元素是唯一的，按特定顺序排序。
    • std::multiset 与 std::set 类似，但允许重复元素。
    • 这两种容器通常使用红黑树等平衡二叉搜索树实现，因此其查找、插入和删除操作的时间复杂度为 O(log n)。

  2. std::map 和 std::multimap：

    • std::map 是一种关联数组，其中每个元素都是一个键-值对，键是唯一的，按特定顺序排序。
    • std::multimap 与 std::map 类似，但允许键重复。
    • 这两种容器也通常使用平衡二叉搜索树实现，其查找、插入和删除操作的时间复杂度同样为 O(log n)。

  3. std::unordered_set 和 std::unordered_multiset：

    • std::unordered_set 是一种无序集合，其中每个元素是唯一的，元素无特定顺序。
    • std::unordered_multiset 与 std::unordered_set 类似，但允许重复元素。
    • 这两种容器使用哈希表实现，因此其平均情况下的查找、插入和删除操作时间复杂度为 O(1)。

  4. std::unordered_map 和 std::unordered_multimap：

    • std::unordered_map 是一种无序关联数组，其中每个元素是一个键-值对，键是唯一的，元素无特定顺序。
    • std::unordered_multimap 与 std::unordered_map 类似，但允许键重复。
    • 这两种容器也使用哈希表实现，其平均情况下的查找、插入和删除操作时间复杂度为 O(1)。

关联式容器的特点和使用场景

  1. 有序关联容器（set、multiset、map、multimap）：

    • 排序：元素按照键的顺序排列，可以方便地进行范围查询。
    • 使用场景：需要按顺序访问元素或进行范围查询时，例如实现有序字典或集合。

  2. 无序关联容器（unordered_set、unordered_multiset、unordered_map、unordered_multimap）：

    • 无序：元素无特定顺序，通过哈希值快速访问。
    • 使用场景：关注查找、插入和删除的平均时间效率，而不在乎元素顺序时，例如实现哈希表或快速查找的数据结构。

树形结构与哈希结构 

树形结构

树形结构常用于实现有序关联容器，如 std::set、std::multiset、std::map 和 std::multimap。具体来说，这些容器通常采用平衡二叉搜索树（如红黑树）来实现。以下是树形结构的一些关键点：

  1. 自动排序：元素按键值自动排序，支持有序遍历。
  2. 平衡性：红黑树等平衡二叉树保证了树的高度在O(log n)范围内，从而确保查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)。
  3. 复杂性：相对于哈希表实现，树形结构的插入和删除操作更为复杂，需要维护树的平衡。

适用场景

  • 需要按顺序访问或处理数据，例如范围查询。
  • 需要查找键的前驱或后继等顺序关系操作。

哈希结构

哈希结构用于实现无序关联容器，如 std::unordered_set、std::unordered_multiset、std::unordered_map 和 std::unordered_multimap。这些容器基于哈希表来实现。以下是哈希结构的一些关键点：

  1. 无序存储：元素无特定顺序，基于哈希值进行存储。
  2. 快速访问：平均情况下，查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(1)。
  3. 哈希冲突：需要处理哈希冲突，一般采用链地址法或开放地址法等策略。

适用场景

  • 更关注操作的平均时间效率，而不在乎元素的顺序。
  • 大量频繁的查找、插入和删除操作，例如实现哈希表或集合。

 

键值对 

  键值对是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。

  比如我们若是要建立一个英译汉的字典，那么该字典中的英文单词与其对应的中文含义就是一一对应的关系，即通过单词可以找到与其对应的中文含义。

在SGI-STL中关于键值对的定义如下：

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)
	{}
};

set

 set的介绍

1.set是按照一定次序存储元素的容器，使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列。

2.set当中存储元素的value都是唯一的，不可以重复，因此可以使用set进行去重。

3.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，因此在set容器中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。

4.set中的元素不能被修改，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。

5.在内部，set中的元素总是按照其内部比较对象所指示的特定严格弱排序准则进行排序。当不传入内部比较对象时，set中的元素默认按照小于来比较。

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set容器允许根据顺序对元素进行直接迭代。

7.set在底层是用平衡搜索树（红黑树）实现的，所以在set当中查找某个元素的时间复杂度为logN。

set的定义方式

方式一： 构造一个某类型的空容器。

set<int> s1; //构造int类型的空容器

方式二： 拷贝构造某类型set容器的复制品。 

set<int> s2(s1); //拷贝构造int类型s1容器的复制品

 方式三： 使用迭代器拷贝构造某一段内容。

string str("abcdef");
set<char> s3(str.begin(), str.end()); //构造string对象某段区间的复制品

方式四： 构造一个某类型的空容器，比较方式指定为大于。

set < int, greater<int>> s4; //构造int类型的空容器，比较方式指定为大于

 set的使用

set当中常用的成员函数如下：

set当中迭代器相关函数如下：

 

使用示例： 

#include <iostream>
#include <set>

int main() {
    // 创建一个整数类型的set容器
    std::set<int> mySet;

    // 插入一些元素到set中
    mySet.insert(5);
    mySet.insert(3);
    mySet.insert(8);
    mySet.insert(2);

    // 使用迭代器遍历容器并输出元素（正向遍历）
    std::cout << "使用迭代器正向遍历容器：" << std::endl;
    for (auto it = mySet.begin(); it != mySet.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 删除一个元素
    mySet.erase(3);

    // 使用范围 for 循环遍历容器并输出元素
    std::cout << "使用范围 for 循环正向遍历容器：" << std::endl;
    for (const auto& elem : mySet) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 检查集合中是否包含特定元素
    int target = 8;
    if (mySet.count(target)) {
        std::cout << "集合包含 " << target << std::endl;
    } else {
        std::cout << "集合不包含 " << target << std::endl;
    }

    // 获取集合的大小
    std::cout << "集合的大小：" << mySet.size() << std::endl;

    // 清空集合
    mySet.clear();

    // 检查集合是否为空
    if (mySet.empty()) {
        std::cout << "集合为空" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "集合不为空" << std::endl;
    }

    // 向空集合中插入一些元素
    mySet.insert(10);
    mySet.insert(20);
    mySet.insert(30);

    // 使用反向迭代器遍历容器并输出元素（反向遍历）
    std::cout << "使用反向迭代器反向遍历容器：" << std::endl;
    for (auto rit = mySet.rbegin(); rit != mySet.rend(); ++rit) {
        std::cout << *rit << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

multiset

    multiset容器与set容器的底层实现一样，都是平衡搜索树（红黑树），其次，multiset容器和set容器所提供的成员函数的接口都是基本一致的，这里就不再列举了，multiset容器和set容器的唯一区别就是，multiset允许键值冗余，即multiset容器当中存储的元素是可以重复的。

#include <iostream>
#include <set>

int main() {
    // 创建一个允许重复元素的 multiset 容器
    std::multiset<int> ms;

    // 插入一些元素到 multiset 中
    ms.insert(1);
    ms.insert(4);
    ms.insert(3);
    ms.insert(3);
    ms.insert(2);
    ms.insert(2);
    ms.insert(3);

    // 使用范围 for 循环遍历容器并输出元素
    for (auto e : ms) {
        std::cout << e << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // 输出：1 2 2 3 3 3 4

    return 0;
}

由于multiset容器允许键值冗余，因此两个容器中成员函数find和count的意义也有所不同：

 

map 

map的介绍

1.map是关联式容器，它按照特定的次序（按照key来比较）存储键值key和值value组成的元素，使用map的迭代器遍历map中的元素，可以得到有序序列。

2.在map中，键值key通常用于排序和唯一地标识元素，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，并取别名为pair。

3.map容器中元素的键值key不能被修改，但是元素的值value可以被修改，因为map底层的二叉搜索树是根据每个元素的键值key进行构建的，而不是值value。

4.在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的。当不传入内部比较对象时，map中元素的键值key默认按照小于来比较。

5.map容器通过键值key访问单个元素的速度通常比unordered_map容器慢，但map容器允许根据顺序对元素进行直接迭代。

6.map容器支持下标访问符，即在[]中放入key，就可以找到与key对应的value。

7.map在底层是用平衡搜索树（红黑树）实现的，所以在map当中查找某个元素的时间复杂度为logN。

map的定义方式

方式一： 指定key和value的类型构造一个空容器。

map<int, double> m1; //构造一个key为int类型，value为double类型的空容器

方式二： 拷贝构造某同类型容器的复制品。 

map<int, double> m2(m1); //拷贝构造key为int类型，value为double类型的m1容器的复制品

方式三： 使用迭代器拷贝构造某一段内容。

map<int, double> m3(m2.begin(), m2.end()); //使用迭代器拷贝构造m2容器某段区间的复制品

方式四： 指定key和value的类型构造一个空容器，key比较方式指定为大于。

map<int, double, greater<int>> m4; //构造一个key为int类型，value为double类型的空容器，key比较方式指定为大于

map的使用

map的插入 map的查找 map的删除 map的[ ]运算符重载 map的迭代器 

#include <iostream>
#include <map>

int main() {
    // 创建一个键为整数，值为字符串的 map 容器
    std::map<int, std::string> myMap;

    // 插入元素到 map 中
    myMap.insert(std::make_pair(1, "One"));
    myMap.insert(std::make_pair(2, "Two"));
    myMap.insert(std::make_pair(3, "Three"));

    // 查找 map 中的元素
    int keyToFind = 2;
    auto it = myMap.find(keyToFind);
    if (it != myMap.end()) {
        std::cout << "键为 " << keyToFind << " 的值为：" << it->second << std::endl;
    } else {
        std::cout << "键为 " << keyToFind << " 的元素未找到" << std::endl;
    }

    // 删除 map 中的元素
    int keyToDelete = 1;
    myMap.erase(keyToDelete);

    // 使用 [] 运算符向 map 中插入或访问元素
    myMap[4] = "Four";

    // 使用迭代器遍历 map 并输出键值对
    std::cout << "遍历 map：" << std::endl;
    for (auto it = myMap.begin(); it != myMap.end(); ++it) {
        std::cout << "键：" << it->first << " 值：" << it->second << std::endl;
    }

    return 0;
}

map的其他成员函数

除了上述成员函数外，map当中还有如下几个常用的成员函数：

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>

int main() {
    // 创建一个 map 容器，键为整数，值为字符串
    std::map<int, std::string> myMap;

    // 插入一些键值对到 map 中
    myMap.insert(std::make_pair(2, "two"));
    myMap.insert(std::make_pair(1, "one"));
    myMap.insert(std::make_pair(3, "three"));

    // 获取容器中元素的个数
    std::cout << "容器中元素的个数：" << myMap.size() << std::endl; // 输出：3

    // 容器中 key 值为 2 的元素个数
    std::cout << "容器中 key 值为 2 的元素个数：" << myMap.count(2) << std::endl; // 输出：1

    // 清空容器
    myMap.clear();

    // 容器判空
    std::cout << "容器是否为空：" << myMap.empty() << std::endl; // 输出：1

    // 创建一个临时的 map 容器，并交换数据
    std::map<int, std::string> tmpMap;
    myMap.swap(tmpMap);

    return 0;
}

multimap 

    multimap容器与map容器的底层实现一样，也都是平衡搜索树（红黑树），其次，multimap容器和map容器所提供的成员函数的接口都是基本一致的，这里也就不再列举了，multimap容器和map容器的区别与multiset容器和set容器的区别一样，multimap允许键值冗余，即multimap容器当中存储的元素是可以重复的。

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>

int main() {
    // 创建一个 multimap 容器，键为整数，值为字符串
    std::multimap<int, std::string> mm;

    // 插入一些键值对到 multimap 中（允许重复键）
    mm.insert(std::make_pair(2, "two"));
    mm.insert(std::make_pair(2, "double"));
    mm.insert(std::make_pair(1, "one"));
    mm.insert(std::make_pair(3, "three"));

    // 使用范围 for 循环遍历 multimap 并输出键值对
    for (const auto& e : mm) {
        std::cout << "<" << e.first << "," << e.second << "> ";
    }
    std::cout << std::endl; // 输出：<1,one> <2,two> <2,double> <3,three>

    return 0;
}

 由于multimap容器允许键值冗余，因此两个容器中成员函数find和count的意义也有所不同：

其次，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。 

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