STL——map和set【map和set的介绍和使用】【multimap和multiset】

map和set
- 1.关联式容器
- 2.键值对
- 3.树形结构的关联式容器
- - 3.1set
  - - 3.1.1set的介绍
    - 3.1.2set的使用
    - - 3.1.2.1set的模版参数列表
      - 3.1.2.2set的构造
      - 3.1.2.3set的迭代器
      - 3.1.2.4set基本接口的使用
      - 3.1.2.5set使用案例
  - 3.2map
  - - 3.2.1map介绍
    - 3.2.2map的使用
    - - 3.2.2.1map的构造
      - 3.2.2.2map的迭代器
      - 3.2.2.3map的容量与访问
      - []的使用和原理
      - 3.2.2.4map的基础接口的使用
      - 3.2.2.5map的使用案例
      - 3.2.2.6map的总结
  - 3.3multiset
  - - 3.3.1multiset的介绍
    - 3.3.2multiset的使用
  - 3.4multimap
  - - 3.4.1multimap的介绍
    - 3.4.2multimap的使用
- 4.有关map和set的oj
- - 4.1前K个高频单词
  - 4.2两个数组的交集

map和set

在学习map和set之前，要先铺垫一下二叉搜索树。算是有个小基础。

1.关联式容器

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

2.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

在前面学习二叉搜索树的时候，已经接触过KV模型的二叉搜索树了。

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)
	{}
};

3.树形结构的关联式容器

3.1set

3.1.1set的介绍

set的文档介绍

主要使用的一些成员函数，迭代器，接口

总结：

set是按照一定次序存储元素的容器
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。
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。
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。
set在底层是用二叉搜索树(红黑树)实现的。

注意：

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。
set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。
set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)。
使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列
set中的元素默认按照小于来比较
set中查找某个元素，时间复杂度为：O(log_2 n)
set中的元素不允许修改(为什么?)[二叉搜索树不允许数据重复]
set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现

3.1.2set的使用

3.1.2.1set的模版参数列表

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

注意：

前面已经学习过很多的容器了，对其构造函数，迭代器，基本接口的使用都很熟悉了，这里不再一个一个详细的说明如何使用了

3.1.2.2set的构造

3.1.2.3set的迭代器

3.1.2.4set基本接口的使用

这里要特别说明的是find：

iterator find ( const key_type& x ) const

功能：找到set中 x的位置。

这里除了set容器自带的find，在算法部分还有一个find，这两个find都能直线找到x的位置，但是不一样的是时间复杂度

set容器的find接口，时间复杂度是O(logN)

算法模块里的find接口，时间复杂度是O(N)

3.1.2.5set使用案例

这里使用的都是一些需要注意的，其他接口都是大差不差的。

void test_set01()
{
	set<int> s;

	s.insert(1);
	s.insert(2);
	s.insert(5);
	s.insert(7);
	s.insert(5); // 这个5是无法插入set的，因为二叉搜索树不允许数据重复。

	// 这个迭代的过程其实就是中序遍历
	set<int>::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << ' '; // 1 2 5 7  
		++it;
	}
	cout << endl;

	// 这里这个find如果找不到返回的是迭代器的末尾 也就是 s.end()
	//set<int>::iterator pos = find(s.begin(), s.end(), 2); // 时间复杂度O（N）
	set<int>::iterator pos = s.find(20); // 这个是set容器的接口，时间复杂度是O(logN)
	if (pos != s.end())
	{
		s.erase(pos);
	}

	s.erase(5);
	s.erase(9); // 找不到不会进行操作

	// 只要支持迭代器，就可以支持范围for
	for (auto& e : s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

3.2map

3.2.1map介绍

map文档介绍

总结：

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。
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;
在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的。
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)。
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。
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))。

3.2.2map的使用

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

3.2.2.1map的构造

3.2.2.2map的迭代器

这里迭代器也是以中序遍历来迭代map的

3.2.2.3map的容量与访问

[]的使用和原理

先来看一个[]的应用场景——统计次数

// 统计次数还有更简洁的写法
void test_map04()
{
	string strArr[] = { "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "橘子", "橘子", "橘子", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& str : strArr)
	{
		// 找str这个key是否存在，存在就让对应的value++，找不到就插入
		countMap[str]++; // 这里用方括号可以直接实现,相当于调用的下面那句话
		//(*((this->insert(make_pair(str, mapped_type()))).first)).second
	}

	// 输出统计好的次数
	for (auto& e : countMap)
	{
		cout << e.first << "出现次数的" << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;
}

在调用[]的时候实际上是调用(*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first)).second

因此要想搞懂[]的使用就要先搞定insert的使用：

插入的时候要给一个value_type，这个类型是键值对类型，mapped_type才是value的类型

除了看函数参数列表，还得看返回值，这里有一个返回值是pair<iterator,bool>，插入失败不应该返回false，成功返回true吗，给一个pair类型是什么意思呢？

返回值的解释如下：

意思就是这里返回的pair类型，first是key，这里设置成iterator类型，意味着，这里的迭代器要不指向新插入的节点，要不指向已经存在于map的那个节点。second是value，这里设置成bool类型，代表是否成功插入，成功插入就是true，插入失败就是false。【这个时候迭代器就指向map中已经存在的节点，因为插入失败代表map，已经存在所要插入的数据的】

现在我们尝试调用insert来实现上面[]实现的功能：

// 统计次数还有更简洁的写法
void test_map04()
{
	string strArr[] = { "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "橘子", "橘子", "橘子", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& str : strArr)
	{
		// 找str这个key是否存在，存在就让对应的value++，找不到就插入
		//countMap[str]++; // 这里用方括号可以直接实现,相当于调用的下面那句话
		//(*((this->insert(make_pair(str, mapped_type()))).first)).second

		// 了解如何调用insert实现的
		pair<map<string, int>::iterator, bool> ret = countMap.insert(make_pair(str, 1));
		// 这里这个insert的过程自动就帮我们筛选了 str这个key是否存在于map中，insert返回一个pair类型
		// 我们通过pair这个类型来获取，str是否插入map中
		if (ret.second == false) 
		{
			// bool为假说明插入失败，key已经存在于map中
			//(*ret.first).second++; // 就通过迭代器找到该节点，在将该节点的second++，也就是出现的次数++
			ret.first->second++; // 等价于(*ret.first).second++;
		}
		else
		{
			// bool为真，说明插入成功,不做处理。这个else分支不写都行，这里写出来方便理解
		}
	}

	// 输出统计好的次数
	for (auto& e : countMap)
	{
		cout << e.first << "出现次数的" << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;
}

在了解了insert的返回值pair的使用之后，我们就能理解[]的原理了：

mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{
	(*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first)).second
}

了解了[]的原理之后，我们来解析一下统计次数场景中使用的[]是如何实现统计次数的：

// 解析[]如何实现需求
void test_map05()
{
	string strArr[] = { "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "橘子", "橘子", "橘子", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& str : strArr)
	{
		countMap[str]++; 
		// 1. 如果str这个k不存在于countMap中，那就插入pair<str, int()>,也就是pair<str, 0>
		// 在通过insert返回的pair类型，拿到插入的节点的迭代器，通过迭代器拿到出现的次数，进行++，此时存储的就是pair<str, 1>
		// 2. 如果str这个k存在于countMap中，就通过insert返回的pair类型，拿到该k的节点的迭代器
		// 在通过该迭代器拿到节点的value。也就是出现次数进行++。
	}

	// 输出统计好的次数
	for (auto& e : countMap)// 这里的auto是pair<const string, int>
	{
		cout << e.first << "出现次数的" << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;
}

总结：

map的operator[]的三层作用：

插入不存在的k和v
查找k对应的映射对象
修改k对应的映射对象

这也能解释为什么[]的底层原理是用insert来实现的。因为这样才能实现这三层作用

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。

3.2.2.4map的基础接口的使用

这里需要讲一下map和set的区别。

在使用insert的时候要注意，因为map是KV模型的平衡二叉搜索树，因此，插入的时候要插入一个键值对。在cpp是一个类型，pair类型，是一个类模版。

为什么呢?

其实结合迭代器会更好的理解。cpp函数仅支持一个返回值，意味着迭代器只能返回一个键值对pair。不能返回一个key和一个value。

void test_map01()
{
	map<int, int> m;
	//m.insert(1, 1); // 这样是不行的。 
	m.insert(pair<int, int>(1, 4));// 这里是通过匿名对象，调用构造函数
	m.insert(pair<int, int>(3, 3));
	m.insert(pair<int, int>(2, 2));
	m.insert(make_pair(5, 8)); // 通过函数模版，构造一个pair类型的对象

	map<int, int>::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//cout << *it << " "; // 这样也是不行的，因为map是KV模型的搜索二叉树
		// 返回一个节点的内容应该是既有key，也有value，但是cpp只支持返回值是一个
		// 这样也解释了为什么insert的时候要插入pair类型
		//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl; // 实际不怎么用这个
		cout << it->first << ":" << it->second << endl; // 实际更用这个,这个编译器进行特殊处理了。本来是it->->second的
		++it;
	}
	cout << endl;

	map<int, int>::iterator pos = m.find(1); // 这里找的是key，而不是value
	if (pos != m.end())
	{
		m.erase(pos);
	}

	// 支持迭代器就支持范围for
	for (auto& e : m)// 这里的auto是pair<const string, int>
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;
}

实际中更喜欢用make_pair来构造键值对参数，因为这里不需要传模版参数。会自动推导模版参数

3.2.2.5map的使用案例

这里来一个模拟工程环境的代码：

// 这里来一个模拟工程的场景
void test_map02()
{
	std::map<std::string, std::string> dict;
	dict.insert(pair<std::string, std::string>("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));

	std::map<std::string, std::string>::iterator it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;

}

再来一个map的应用场景————统计次数：

// 再来一个map的应用场景————统计次数
void test_map03()
{
	string strArr[] = { "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "橘子", "橘子", "橘子", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& str : strArr)
	{
		// 找str这个key是否存在，存在就让对应的value++，找不到就插入
		map<string, int>::iterator pos = countMap.find(str);
		if (pos == countMap.end())
		{
			// 找不到就插入
			countMap.insert(make_pair(str, 1));
		}
		else
		{
			// 找到了就让出现次数++
			++pos->second;
		}
	}

	// 输出统计好的次数
	for (auto& e : countMap)// 这里的auto是pair<const string, int>
	{
		cout << e.first << "出现次数的" << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;
}

除了用上述方法，我们还可以直接使用[]来实现该场景.

[]的原理上面有讲

void test_map04()
{
	string strArr[] = { "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "苹果", "橘子", "橘子", "橘子", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;
	for (auto& str : strArr)
	{
		// 找str这个key是否存在，存在就让对应的value++，找不到就插入
		countMap[str]++; 

	// 输出统计好的次数
	for (auto& e : countMap)// 这里的auto是pair<const string, int>
	{
		cout << e.first << "出现次数的" << ":" << e.second << endl;
	}
	cout << endl;
}

3.2.2.6map的总结

对于map来说，是可以进行增删查改的，当然改的是v不是k

增 insert或者operator[]
删 erase
查 find 【也可以用[]，但是不用[]。因为如果key不存在就会插入map中】
改 operator[]
遍历 iterator 或者范围for

map的总结：

map中的的元素是键值对pair<key, value>，访问的时候要注意。
map中的key是唯一的，并且不能修改
默认按照小于的方式对key进行比较
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
map的底层为平衡搜索树(红黑树)，查找效率比较高 $O(log_2 N)$
支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找

3.3multiset

3.3.1multiset的介绍

multiset的文档介绍

总结：

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。
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。
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。
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。
multiset底层结构为二叉搜索树(红黑树)。

注意：

与set的区别是，multiset中的元素可以重复(键值冗余)，set是中value是唯一的
并且使用find在寻找相同的key的时候，会按照中序遍历的顺序去寻找

3.3.2multiset的使用

multiset和set的使用非常相似，这里就看看multiset和set不同的地方的使用就好了。

// 使用一下multiset
void test_multiset()
{
	// 和set区别就是允许键值冗余
	multiset<int> ms;
	ms.insert(3);
	ms.insert(1);
	ms.insert(4);
	ms.insert(2);
	ms.insert(6);
	ms.insert(3); //允许键值冗余
	
	// 再查找的时候，如果查找的数据是重复的，那找到的是中序遍历顺序的第一个。
	multiset<int>::iterator pos = ms.find(3); // 这里找到3是中序遍历顺序的第一个3

	multiset<int>::iterator it = ms.begin();
	while (it != ms.end())
	{
		cout << *it << " "; // 1 2 3 3 4 6
		it++;
	}
	cout << endl;

	set<int> s;
	s.insert(3);
	s.insert(1);
	s.insert(4);
	s.insert(2);
	s.insert(6);
	s.insert(3); //不允许键值冗余

	for (auto& e : s)
	{
		cout << e << " "; // 1 2 3 4 6
	}
	cout << endl;
}

3.4multimap

3.4.1multimap的介绍

multimap的文档介绍

总结：

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。
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;
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。
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。
multimap在底层用二叉搜索树(红黑树)来实现。

注意：

multimap和map的区别就是map的key不能重复，multimap允许重复
还有一个multimap没有operator[]的存在，因为如果存在多个key，不知道返回那个key的value

3.4.2multimap的使用

同理，multimap和map的使用也是非常相似的，这里就只使用不同的地方、

void test_multimap()
{
	// multimap和map的区别和上面是一样的，也是允许键值冗余
	// 还有就是multimap没有operator[]，因为当有多个key的时候，不知道返回那个key的value
	multimap<string, int> mmap;
	mmap.insert(pair<string, int>("苹果", 1));
	mmap.insert(pair<string, int>("苹果", 2));
	mmap.insert(make_pair("苹果", 3));


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

4.有关map和set的oj

4.1前K个高频单词

前K个高频单词

思路1：

优先级队列

先用一个map统计单词出现的次数，然后通过优先级队列搞一个小堆，转换为TopK问题。

注意：

这里在用优先级队列的时候，优先级队列要存储一个pair<string, int>类型，容器是vector<pair<string, int>>,并且由于pair类型无法进行大小比较，在插入进队列的时候无法保持堆的逻辑，因此需要为它专门弄个仿函数。
auto cmp = [](const pair<string, int>& a, const pair<string, int>& b) {
            return a.second == b.second ? a.first < b.first : a.second > b.second;
        };
        priority_queue<pair<string, int>, vector<pair<string, int>>, decltype(cmp)> que(cmp);

思路2：

用map和multimap解决

思路在代码中有讲述：

class Solution {
public:
    vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) 
    {
        vector<string> ret;
        // 通过map来统计单词出现的次数
        map<string, int> countMap;

        // 统计各单词出现的次数
        for(auto& str : words)
        {
            countMap[str]++;              
        }

        /* // 方便调试
        for(auto& e : countMap)
        {
            cout << e.first << ":" << e.second << endl;            
        }
        cout << endl;*/

        // 将单词出现的次数用multimap放起来，因为可能有多个重复key存在，用multimap
        multimap<int, string, greater<int>> countSort;  
        // greater<int>导致中序遍历的结果是倒序。出现次数多的往左走，少的往右走
        for(auto& kv : countMap) //auto是pair<const string, int>
        {
            // 将各单词出现的次数进行排序
            countSort.insert(make_pair(kv.second, kv.first));
            //这里在插入的时候，是大的往左走
        }

        /* // 方便调试
        for(auto& e : countSort)
        {
            cout << e.first << ":" << e.second << endl;            
        }
        cout << endl;*/

        //将前k个出现次数最多的单词放到ret中
        for(auto& e : countSort) // pair<const int, const string>
        {
            ret.push_back(e.second);
            k--;
            if(k == 0)
                break;
        }

        return ret;
    }
};

4.2两个数组的交集

两个数组的交集 - （LeetCode）

思路1：

将nums1和nums2分别装在一个set中，这里叫s1、s2、通过依次取出s1中的元素，去s2中寻找该元素是否存在，找到了就是交集元素

class Solution {
public:
    vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) 
    {
        vector<int> ret;
        // 用set解决， set的key不能重复
        set<int> s1; // s1用来装nums1中出现过的数字
        set<int> s2; // s2用来装nums2中出现过的数字

        for(int& e : nums1)
        {
            s1.insert(e);
        }

        for(int& e : nums2)
        {
            s2.insert(e);
        }

        // 这个时候s1装着nums1中出现过的数字，s2装着nums2出现过的数字
        for(auto& e : s1)
        {
            // 取出s1中的元素，依次去寻找在s2中是否存在
            set<int>::iterator pos = s2.find(e);
            // 如果s2中存在。就说明是交集元素，放进ret中
            if(pos != s2.end()) // pos == s2.end()就说明没找到
            {
                ret.push_back(e);
            }
        }
        
        // 此时ret就装着交集元素
        return ret;

    }
};

思路2：

和思路1一样，但是在判断是否是交集元素的时候思路不一样。思路1通过寻找，这里我们通过比较的方式。我们让s1的元素去和s2的比较，只要发现相等的元素就一定是交集元素。

class Solution {
public:
    vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) 
    {
        vector<int> ret;
        // 用set解决， set的key不能重复
        set<int> s1; // s1用来装nums1中出现过的数字
        set<int> s2; // s2用来装nums2中出现过的数字

        for(int& e : nums1)
        {
            s1.insert(e);
        }

        for(int& e : nums2)
        {
            s2.insert(e);
        }

        // 除了寻找也可以通过比较的方式判断是否是交集元素
        // set排过序，依次比较，小的一定不是交集，相等的是交集
        auto it1 = s1.begin(); // auto就是set<int>::iterator
        auto it2 = s2.begin();
        while(it1 != s1.end() && it2 != s2.end())
       {
            if(*it1 < *it2)
           {
                it1++;
           }
            else if(*it2 < *it1)
           {
                it2++;
           }
            else
           {
                ret.push_back(*it1);
                it1++;
                it2++;
           }
       }

        // 此时ret就装着交集元素
        return ret;

    }
};