【STL】map和set相关知识详细梳理

1. 预备知识

1.1 关联式容器

在之前，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。
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。

1.2 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：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)
    {}
};

pair是库里定义的键值对类型，first，second分别对应着key和value。

1.3 树形结构的关联式容器

根据应用场景的不同，STL总共实现了两种不同结构的关联式容器：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。

2. set 介绍

1. set是按照一定次序存储元素的容器。

2. 在set中，元素的value就是key，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)自己的准则进行排序。

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。

3. set 使用

1. set的模板参数

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

#include <vector>
#include <set>
using namespace std;
int main()
{
    vector<int> v{1,2,3,4,5,6};
    set<int> s1;
    set<int> s2(v.begin(),v.end());
    set<int> s3(s2);
}

3. set的迭代器

4. set 容量

5. set修改操作

举例：

#include <set>
void TestSet()
{
    // 用数组array中的元素构造set
    int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4,
    6, 8, 0 };
    //区间构造
    set<int> s(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
    cout << s.size() << endl;
    // 正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可去重并排序
    for (auto& e : s)
    cout << e << " ";
    cout << endl;
    // 使用迭代器逆向打印set中的元素
    for (auto it = s.rbegin(); it != s.rend(); ++it)
    cout << *it << " ";
    cout << endl;
    // set中值为3的元素出现了几次
    cout << s.count(3) << endl;
}

总结：

        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。
        8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

4. map 介绍

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，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底层实现为二叉搜索树(红黑树)。

5. map 使用

1. map模板参数

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

3. map的迭代器

4. map的容量/元素访问

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（例如value是int类型，会默认构造为0）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。

5. map中元素的修改

例子：

#include <string>
#include <map>
using namespace std;
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"));
    if (ret.second)
        cout << "<peach, 桃>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 $log_2N$ 。
6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

6. multiset 介绍

multiset是特殊的set容器，以下是他的介绍：

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)。

总的来说，multiset和set的区别就在于一个允许重复key出现，一个不允许。

注意：
1. multiset中在底层中存储的是<value, value>的键值对。
2. multiset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是中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 $log_2N$ 。
7. multiset的作用：可以对元素进行排序。

7. multiset 使用

因为前面已经详细讲过set，这里就简单举例一下

#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;
}

8. multimap 介绍

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。

注意：multimap和map的唯一不同就是：map中的key是唯一的，而multimap中key是可以
重复的。

9. multimap 使用

和map完全类似，需要注意的是：

        1. multimap中的key是可以重复的。
        2. multimap中的元素默认将key按照小于来比较。
        3. multimap中没有重载operator[]操作。
        4. 使用时与map包含的头文件相同。