C++必修：set/map，mutiset/mutimap的用法

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所属专栏：C++学习
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1. set的介绍

在 C++ 中，set 是一种关联容器，用于存储唯一的元素。其具有以下这几个特点：

存储与排序：

按照一定次序存储元素，使用迭代器遍历可得到有序序列。
在内部，元素按照特定严格弱排序准则排序，默认按小于比较，若不传入内部比较对象。

元素唯一性：

存储的元素值都是唯一的，可用于去重操作。

存储方式：

与 map/multimap 不同，set 中只放 value ，底层实际存放的是由 <value, value> 构成的键值对，插入元素时只需插入 value ，无需构造键值对。

元素修改限制：

由于底层是二叉搜索树（实际为红黑树）实现，若修改元素值，将破坏树结构，所以元素不能被修改。

查找性能：

查找某个元素的时间复杂度为 O(log N) 。

与 **unordered_set** 比较：

set 通过 key 访问单个元素的速度通常比 unordered_set 慢，但允许根据顺序对元素直接迭代。

具体可参考官方文档——set

2. set的功能

首先set与STL其他大多数容器一样，为了支持所有类型，所以是一个类模版。

2.1 set的初始化

set初始化会调用构造函数，其构造函数分别重载了以下几种方式：

void Test1()
{
	//1.默认无参构造
	set<int> s1;
	//2.迭代器区间初始化
	string str("betty");
	set<int> s2(str.begin(),str.end());
	//3.拷贝构造
	set<int> s3(s1);
	//4.指定比较方式
	set<int, greater<int>> s4;
}

2.2 set的迭代器

成员函数	功能
begin	获取容器中第一个元素的正向迭代器
end	获取容器中最后一个元素下一个位置的正向迭代器
rbegin	获取容器中最后一个元素的反向迭代器
rend	获取容器中第一个元素前一个位置的反向迭代器

这些函数与其他容器的迭代器成员函数无论是功能还是用法都是一模一样的，所以上手可谓十分简单。

void Test2()
{
	vector<int> arr = { 1,2,3,4,5,6,7 };
	//迭代器区间初始化
	set<int> s1(arr.begin(), arr.end());
	//正向迭代器
	set<int>::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	//反向迭代器
	set<int>::reverse_iterator rit = s1.rbegin();
	while (rit != s1.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;
}

2.3 set的常见成员函数

以下是set常见的成员函数：

成员函数	功能
insert	插入指定元素
erase	删除指定元素
find	查找指定元素
size	获取容器中元素的个数
empty	判断容器是否为空
clear	清空容器
swap	交换两个容器中的数据
count	获取容器中指定元素值的元素个数

void Test3()
{
	set<int> s1;
	s1.insert(1);
	s1.insert(1);
	s1.insert(2);
	s1.insert(2);
	s1.insert(3);
	s1.insert(4);
	//元素个数
	cout << "元素个数：";
	cout << s1.size() << endl;
	//正向迭代器
	set<int>::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	set<int>::iterator pos = s1.find(2);
	//如果找不到会返回end()迭代器
	if (pos != s1.end())
	{
		s1.erase(pos);
	}
	it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void Test4()
{
	set<int> s1;
	s1.insert(1);
	s1.insert(2);
	s1.insert(3);
	s1.insert(4);
	set<int>::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	//判断是否存在
	if (s1.count(2))
	{
		cout << "元素存在" << endl;
	}
	//清空
	s1.clear();
	//判断是否为空
	if (s1.empty())
	{
		cout << "容器为空" << endl;
	}
}

3. mutiset

multiset的使用方式与set基本一致，唯一的区别就在于multiset允许键值冗余，即可存储重复元素。

void Test5()
{
	multiset<int> s1;
	//支持键值冗余
	s1.insert(1);
	s1.insert(1);
	s1.insert(2);
	s1.insert(2);
	s1.insert(3);
	s1.insert(4);
	multiset<int>::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
}

值得注意的是：multiset的find返回底层搜索树中序的第一个值为val的元素的迭代器，而set返回的是val元素的迭代器。

4. map的介绍

map 是 C++ 中的关联式容器，具有以下特性：

存储与排序：

按照特定次序（基于键值 key 比较）存储由键值 key 和值 value 组成的元素，使用迭代器遍历可得到有序序列。

键值与值：

键值 key 用于排序和唯一标识元素，值 value 存储与键值关联的内容，键值和值的类型可不同。在内部，通过成员类型 value_type 将键值和值绑定并取别名为 pair 。

修改限制：

元素的键值 key 不能修改，而值 value 可以修改，因为底层的二叉搜索树基于键值构建，而非值。

内部排序：

内部按照键值进行比较排序，默认键值按小于比较，若未传入内部比较对象。

性能与迭代：

通过键值访问单个元素的速度通常比 unordered_map 慢，但允许按顺序直接迭代元素。

下标访问：

支持下标访问符，在 [] 中放入键值 key ，可获取对应的 value 。

底层实现：

在底层使用平衡搜索树（红黑树）实现，查找元素的时间复杂度为 $O (l o g N)$ 。

5. map的功能

首先map同样与STL其他大多数容器一样，为了支持所有类型，所以是一个类模版。

5.1 map的初始化

map初始化会调用构造函数，其构造函数分别重载了以下几种方式：

void Test6()
{
	//1.默认无参构造
	map<int,int> m1;
	//2.迭代器区间初始化
	map<int, int> m2(m1.begin(), m1.end());
	//3.拷贝构造
	map<int, int> m3(m1);
	//4.指定比较方式
	map<int, int, greater<int>> m4;
}

5.2 map的迭代器

成员函数	功能
begin	获取容器中第一个元素的正向迭代器
end	获取容器中最后一个元素下一个位置的正向迭代器
rbegin	获取容器中最后一个元素的反向迭代器
rend	获取容器中第一个元素前一个位置的反向迭代器

这些函数也与其他容器的迭代器成员函数无论是功能还是用法都是一模一样的，所以上手可谓十分简单。

void Test7()
{
	map<int, string> m;
	m.insert(pair<int, string>(1, "one"));
	m.insert(pair<int, string>(2, "two"));
	m.insert(pair<int, string>(3, "three"));
	//正向迭代器
	map<int, string>::iterator it = m.begin();
	while(it != m.end())
	{
		cout << "<" << it->first << "," << it->second << ">" << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	//反向迭代器
	map<int, string>::reverse_iterator rit = m.rbegin();
	while (rit != m.rend())
	{
		cout << "<" << rit->first << "," << rit->second << ">" << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;
}

5.3 map的常见成员函数

map与set的成员函数类似，只不过多了一个[]运算符重载。

成员函数	功能
insert	插入指定元素
erase	删除指定元素
find	查找指定元素
size	获取容器中元素的个数
empty	判断容器是否为空
clear	清空容器
swap	交换两个容器中的数据
count	获取容器中指定元素值的元素个数
[]运算符重载	根据对应的key获取其va的值

相似的函数用法也是相同的，我们不在重复介绍。我们重点介绍以下几个函数：

5.3.1 insert

map的插入函数的函数原型如下：

pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);

其中insert函数的参数为是value_type类型的，实际上value_type只是被typedef之后的类型，其真实类似为：

typedef pair<const Key, T> value_type;

因此，我们在向map容器插入元素时，需要用key和value构造一个pair对象，再插入。
而构造pair对象常见的有两种方式，第一种就是构造匿名对象插入：

//匿名对象插入
map<int, string> m;
m.insert(pair<int, string>(1, "one"));

但是这种方式过于繁琐，所以一般我们常用的是以下这种：

通过这个mark_pair函数的返回值进行构造。

//make_pair函数构造
map<int, string> m;
m.insert(make_pair(1,"one"));

最后insert的返回值也是一个pair类型，其含义为：

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。

5.3.2 []运算符重载

map的[]运算符重载的函数原型如下：

mapped_type& operator[] (const key_type& k);

其中mapped_type就是value的类型，并且这个重载实现方式是这样的：

(*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first)).second

这样咋一看其实并不好理解，我们可以先将其拆分为三步：

第一步调用insert函数插入键值对。
第二步接收insert函数的返回值，并获取相应的迭代器。
第三步通过该迭代器得到value的值返回。

mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{
	//第一步调用insert函数插入键值对。
	pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(k, mapped_type()));
	//第二步接收insert函数的返回值，并获取相应的迭代器。
	iterator it = ret.first;
	//第三步通过该迭代器得到value的值返回。
	return it->second;
}

如果[]调用的值不存在，则[]就相当于插入；如果[]调用的值存在，则[]就相当于得到对应的value。所以通过该函数，我们可以简化map的插入与修改操作。

void Test8()
{
	map<int, string> m;
	//插入
	m[1] = "one";
	m[2] = "two";
	m[3] = "three";
	map<int, string>::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		cout << "<" << it->first << "," << it->second << ">" << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	//修改
	m[1] = "1";
	m[2] = "2";
	m[3] = "3";
	it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		cout << "<" << it->first << "," << it->second << ">" << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

6. multimap

multimap的使用方式与map基本一致，唯一的区别就在于multimap允许键值冗余，即可存储重复元素。

void Test9()
{
	//允许键值冗余
	multimap<int, string> m;
	m.insert(make_pair(1, "one"));
	m.insert(make_pair(1, "1"));
	m.insert(make_pair(2, "two"));
	m.insert(make_pair(2, "2"));
	m.insert(make_pair(3, "three"));
	for (auto e : m)
	{
		cout << "<" << e.first << "," << e.second << ">" << " ";
	}
	cout << endl; 
}