map_set的使用

关联式容器
树形结构的关联式容器
set
- set的介绍
- set的使用
multiset
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map
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- map的使用
- 键值对
multimap
- multimap的介绍

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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？

序列式容器是用来存储数据的，是按照元素插入的顺序来存储元素的，也就是说，元素在容器中的位置与其被插入的先后顺序是一致的。数据在逻辑是依次存储的，是线性的。

关联式容器也是用来存储数据的，与序列式容器不同的是，数据与数据之间有很强的关联，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。

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

set的介绍

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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：

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： $log_2 n$
set中的元素不允许修改(为什么?)
set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

set的使用

void test_set1()
{
	//排序 + 去重
	set<int> s;

	s.insert(5);
	s.insert(2);
	s.insert(7);
	s.insert(4);
	s.insert(9);
	s.insert(9);
	s.insert(9);
	s.insert(1);
	s.insert(1);
	s.insert(1);

	set<int>::iterator it = s.begin();

	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;


}

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	set<int> s;//默认构造

	int arr[] = { 1,2,5,6,3 };
	//一段迭代器区间构造
	set<int> s1(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));
	//拷贝构造
	set<int> s2(s1);

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输入一个值如果存在就删除，如果不存在就打印不存在。

	//删除最小的值
	s.erase(s.begin());//中序迭代器开始的位置就最小值

	for (auto e: s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	int x = 0;
	cin >> x;
	/*int num = s.erase(x);
	if (num == 0)
	{
		cout << x << "不存在" << endl;
	}*/

	auto pos = s.find(x);

	if (pos != s.end())
	{
		s.erase(pos);
	}
	else
	{
		cout << x << "不存在" << endl;
	}

	for (auto e : s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

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	int x = 0;
	cin >> x;
	auto pos1 = find(s.begin(), s.end(), x); //O(N)
	auto pos2 = s.find(x);					//O(logN)

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	//判断在不在
	int x = 0;
	cin >> x;
	if (s.count(x))
	{
		cout << x << "在" << endl;
	}
	else
	{
		cout << x << "不存在" << endl;
	}

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int main()
{
	std::set<int> myset;
	std::set<int>::iterator itlow, itup;

	for (int i = 1; i < 10; i++) myset.insert(i * 10); // 10 20 30 40 50 60 70 80 90

	itlow = myset.lower_bound(30);                //返回>=30的值       
	itup = myset.upper_bound(60);                 //返回>60的值
	
	//删除[30,60]之间的值
	myset.erase(itlow, itup);                     // 10 20 70 80 90

	std::cout << "myset contains:";
	for (std::set<int>::iterator it = myset.begin(); it != myset.end(); ++it)
		std::cout << ' ' << *it;
	std::cout << '\n';

	return 0;
}

运行结果如图：
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multiset

multiset的介绍

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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：

multiset中在底层中存储的是<value, value>的键值对
multiset的插入接口中只需要插入即可
与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的
使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列
multiset中的元素不能修改
在multiset中找某个元素，时间复杂度为 $O(log_2 N)$
multiset的作用：可以对元素进行排序

multiset的使用

void test_set2()
{
	//排序
	multiset<int> s;

	s.insert(5);
	s.insert(2);
	s.insert(7);
	s.insert(4);
	s.insert(9);
	s.insert(9);
	s.insert(9);
	s.insert(1);
	s.insert(1);
	s.insert(1);

	multiset<int>::iterator it = s.begin();

	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

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如果find查找x时，多个x在树中，返回中序第一个x。

int x = 0;
cin >> x;
set<int>::iterator pos = s.find(x);

while (pos != s.end() && *pos == x)
{
	cout << *pos << " ";
	++pos;
}
cout << endl;

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erase删除的时候如果有多个相同的元素的全部删除。

cout << s.count(9) << endl;

s.erase(9);

for (auto e : s)
{
	cout << e << " ";
}
cout << endl;

cout << s.count(9) << endl;

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map

map的介绍

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;
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))。

map的使用

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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

那什么时pair呢？

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。

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)
	{}
};

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pari就是有两个成员变量的结构体，提供了一份无参的构造，和传参的构造函数，这里的底层二叉树里面存放key和value的时候并不是单独存储的。

template<class K,class V>
struct BSTreeNode
{
	BSTreeNode<K,V>* _left;
	BSTreeNode<K,V>* _right;

	K _key;
	V _value;
};

而是把key和value的值单独存到一个结构体当中。

template<class K,class V>
struct BSTreeNode
{
	BSTreeNode<K,V>* _left;
	BSTreeNode<K,V>* _right;

	pair<K,V> _kv;
};

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template <class T1,class T2>
pair<T1,T2> make_pair (T1 x, T2 y)
 {
   return ( pair<T1,T2>(x,y) );
 }

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这里需要插入一个value_type类型的对象，也就是pair类型的对象，有以下几种插入方式。

int main()
{
	map<string, string> dict;
	pair<string, string> kv1("left", "左边");
	dict.insert(kv1);
	//匿名对象
	dict.insert(pair<string, string>("right", "右边"));
	
	dict.insert(make_pair("insert", "插入"));

	//多参数的构造函数支持隐式类型转换
	dict.insert({ "string","字符串" });


	//initializer_list + 多参数的构造函数隐式类型转换
	map<string, string> dict1 = { {"left", "左边"},{"right", "右边"},{"insert", "插入"},{"string","字符串"} };

	string s;
	while (cin >> s)
	{
		map<string, string>::iterator it = dict.find(s);

		if (it != dict.end())
		{
			cout << it->first << " : " << it->second << endl;
		}
		else
		{
			cout << "找不到" << endl;
		}
	}
}

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int main()
{
	map<string, string> dict = { {"left", "左边"},{"right", "右边"},
	{"insert", "插入"},{"string","字符串"} };

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

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

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int main()
{
	// 统计水果出现的次数
	string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜",
   "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };

	map<string, int> countTree;

	for (const auto& str : arr)
	{
		auto ret = countTree.find(str);

		if (ret == countTree.end())
		{
			countTree.insert({ str,1 });
		}
		else
		{
			ret->second++;
		}
	}

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

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返回key对应的value的引用。

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？

首先，我们先学习一下insert函数的返回值。

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可以看到这里的返回值是一个pair类型的对象，插入成功，返回新插入的key位置的迭代器，并且返回true。
如果插入失败，返回已经存在的等于key的那个值位置的迭代器，返回false，这里充当了查找的功能。

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

这段代码不方便观察，我们转换一下。

V& operator[](const K& key)
{
	pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
	//找到key位置的迭代器
	iterator it = ret.frist;
	//返回value的引用
	return it->second;
}

所以，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。

operator[ ]的功能

int main()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	//插入 + 修改
	dict["left"] = "左边";
	//修改
	dict["left"] = "左边,剩余";
	//不存在->插入 <"insert","">
	dict["insert"];
	//存在->查找
	cout << dict["insert"] << endl;
}

统计水果出现的次数，就可以这样写。

int main()
{
	string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜",
   "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };

	map<string, int> countTree;

	for (const auto& str : arr)
	{
		countTree[str]++;
	}

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

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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。

【总结】

map中的的元素是键值对
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。

multimap

multimap的介绍

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

int main()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("sort", "xxx"));

	for (const auto& str : dict)
	{
		cout << str.first << " : "  << str.second << endl;
	}
	
	return 0;
}

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这里key相等就不会插入，并不会修改。

但是multimap允许键值冗余。

int main()
{
	multimap<string, string> dict;
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("sort", "xxx"));
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));

	for (const auto& str : dict)
	{
		cout << str.first << " : "  << str.second << endl;
	}
	
	return 0;
}