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std::set容器深度解析

1. 引用头文件

在C++标准模板库（STL）中，std::set是一个重要的关联容器，它提供了自动排序且元素唯一的存储机制。要使用std::set，首先需要包含其对应的头文件：

#include <set>

2. 注意事项

• 元素唯一性：std::set中的元素是唯一的，不允许重复。
• 自动排序：元素会根据提供的比较函数（默认为<运算符）进行排序。
• 不支持随机访问：由于底层实现为红黑树，std::set不支持通过下标访问元素。
• 内存开销：红黑树的实现导致std::set的内存开销相对较大。

3. 函数构造与对象初始化

std::set提供了多种构造函数来初始化对象：

• 默认构造函数：创建一个空的set容器。
• 拷贝构造函数：用另一个set容器来初始化新的set容器。
• 赋值构造函数：通过赋值运算符从一个set容器创建另一个set容器。
• 初始化列表构造函数：使用初始化列表来初始化set容器。
• 迭代器范围构造函数：使用两个迭代器（指向容器或其他序列的起始和结束位置）来初始化set容器。

示例代码：

#include <set>
#include <iostream>

int main() {
    // 默认构造函数
    std::set<int> s1;

    // 初始化列表构造函数
    std::set<int> s2 = {5, 3, 8, 1, 9, 9}; // 这里的9不会重复出现
   
    // 拷贝构造函数
    std::set<int> s3(s2);

    // 迭代器范围构造函数（假设有一个数组）
    int arr[] = {2, 4, 6, 7, 0};
    std::set<int> s4(arr, arr + 5);

    // 输出set元素（自动排序）
    for (const auto& elem : s4) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

4. 元素访问

由于std::set不支持随机访问，因此不能通过下标访问元素。但可以使用成员函数如find、count、lower_bound和upper_bound来查找元素。

示例代码：

#include <set>
#include <iostream>

int main() {
    std::set<int> s = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用find查找元素
    auto it = s.find(3);
    if (it != s.end()) {
        std::cout << "Found 3 in the set." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "3 not found in the set." << std::endl;
    }

    // 使用count检查元素是否存在（对于set，count要么为0要么为1）
    if (s.count(6) == 0) {
        std::cout << "6 not found in the set." << std::endl;
    }

    return 0;
}

5. 迭代器

std::set的迭代器是双向迭代器，支持向前和向后遍历容器中的元素。由于std::set的迭代器与底层红黑树结构相关联，因此在插入和删除操作时（除了被删除的迭代器外），其余迭代器仍然有效。

#include <iostream>  
#include <set>  
  
int main() {  
    std::set<int> mySet = {1, 2, 3, 4, 5};  
  
    // 使用范围for循环遍历set  
    for (const int& elem : mySet) {  
        std::cout << elem << " ";  
    }  
    std::cout << std::endl;  
  
    // 使用迭代器遍历set  
    for (std::set<int>::iterator it = mySet.begin(); it != mySet.end(); ++it) {  
        std::cout << *it << " ";  
    }  
    std::cout << std::endl;  
    
    // 迭代器遍历并删除对象
    for (auto it = mySet.begin(); it != mySet.end();) {  
		if (*it % 2 == 0) { // 删除所有偶数元素作为示例  
			it = mySet.erase(it); // erase返回指向下一个元素的迭代器  
		} else {  
			std::cout << *it  << " ";  
			++it; // 只有当没有删除元素时才递增迭代器  
		}  
	}
	std::cout << std::endl;  
    return 0;  
}

6. 容器修改器

std::set提供了多种成员函数来修改容器：

• insert：插入元素（如果元素已存在，则插入失败）。
• erase：删除元素。
• clear：清除所有元素。
• swap：交换两个set容器的元素。

#include <set>
#include <iostream>

int main() {
    std::set<int> s = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 插入元素
    auto result = s.insert(6);
    if (result.second) {
        std::cout << "Inserted 6 successfully." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "6 already exists in the set." << std::endl;
    }

    // 删除元素
    s.erase(3);

    // 输出修改后的set元素
    for (const auto& elem : s) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    // 清除所有元素
    s.clear();

    return 0;
}

7. 元素比较

std::set中的元素是根据提供的比较函数（默认为<运算符）进行排序的。因此，可以直接使用比较运算符来比较std::set中的元素或迭代器指向的元素。

总结与应用场景

std::set是一个功能强大的关联容器，它提供了自动排序和元素唯一的特性。然而，由于红黑树的实现，其内存开销相对较大，且不支持随机访问。std::set适用于需要快速查找、插入和删除唯一元素的场景，如：

• 去重和排序：将一组数据去重并排序。
• 元素查找：在大量数据中快速查找某个元素是否存在。
• 集合运算：如并集、交集、差集等集合运算（可以使用STL中的算法如std::set_union、std::set_intersection、std::set_difference等）。
• 需要保持元素有序性的场景：如任务调度、资源管理等。

通过合理使用std::set容器，可以显著提高程序的效率和可靠性，特别是在需要处理唯一性和排序性的场景中。

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