【C++进阶】四、STL---set和map的介绍和使用

news2024/11/16 9:49:03

目录

一、关联式容器

二、键值对

三、树形结构的关联式容器

四、set的介绍及使用

4.1 set的介绍 

4.2 set的使用

五、multiset的介绍及使用

六、map的介绍和使用

6.1 map的介绍

6.2 map的使用 

七、multimap的介绍和使用

一、关联式容器

        前面已经接触过 STL 中的部分容器，比如：vector、list、deque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

什么是关联式容器？

        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

set 和 map 便是关联式容器 

二、键值对

什么是键值对？ 

        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，即通过该应该单词，在词典中就可以找到与其对应的中文含义

        在 set 和 map 就使用了键值对，这个键值对名为 pair，他是一个 struct 定义的类模板，即可以在外部访问 pair 里面的成员变量

SGI-STL中关于键值对的定义如下：

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文档介绍：pair - C++ Reference (cplusplus.com)https://legacy.cplusplus.com/reference/utility/pair/?kw=pair

成员类型介绍如下：

如何使用 pair ，下面介绍 set 和 map 再解释

三、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

四、set的介绍及使用

4.1 set的介绍 

set文档介绍：set - C++ Reference (cplusplus.com)https://legacy.cplusplus.com/reference/set/set/?kw=set

翻译如下： 

  1. set是按照一定次序存储元素的容器
  2. 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
  3. 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
  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 

 set 的模板参数有三个：

  1. 第三个模板参数 class Alloc = allocator<T> 是空间配置器，不用理会
  2. 第二个模板参数 class Compare = less<T> 是仿函数，平时不用理会，使用缺省值即可，前面也介绍过了，有需要再传参，set 中元素默认按照小于来比较
  3. 第一个模板参数 class T 是 set 中存放元素的类型，实际在底层存储 <value, value> 的键值对

注意：

  1. 与 map/multimap 不同，map/multimap 中存储的是真正的键值对 <key, value>，set/multiset 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. 即 set/multiset 为 K模型，map/multimap 为 KV模型

使用set要包含头文件： 

#include <set>

注意：set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)

4.2 set的使用

先介绍一下set的前四个成员类型

  • key_type 是第一个模板参数，即（T），value_type 也是第一个模板参数（T） 
  • value_type 对应键值对 pair 的第一个模板参数（T1），value_type  对应键值对 pair 的第一个模板参数（T2），即 <key_type，value_type>

  • key_compare 是第二个模板参数（Compare），key_compare 也是第二个模板参数（Compare）
  • key_compare 和 value_compare 也是键值对，与上面类似

（1）set 的构造函数

set 提供的构造函数有：第一个空构造和 第二个迭代器区间构造，一般都使用空构造，第三个是拷贝构造函数

测试代码

void Test_Set()
{
	set<int> s1;//空构造
	set<int> s2(s1.begin(), s1.end());//区间构造
	set<int> s3(s1);//拷贝构造
}

（2）赋值重载

测试代码

void Test_Set()
{
	set<int> s1;//空构造
	set<int> s2(s1);//拷贝构造
	set<int> s3;
	s3 = s1;//赋值重载
}

析构函数，这个就不介绍了，程序结束自动调用 

（4）Iterators

使用 set 的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列 

（5） Capacity

（6）Modifiers

set中的元素不允许修改 

（7）find

set 中查找某个元素，时间复杂度为：logN 

以上接口都与之前学的容器接口用法大致相同，就不再演示了

五、multiset的介绍及使用

multiset的文档介绍：multiset - C++ Reference (cplusplus.com)https://legacy.cplusplus.com/reference/set/multiset/

翻译： 

  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)

模板参数和成员类型与set一致，不解释了 

注意：

  1. multiset中再底层中存储的是<value, value>的键值对
  2. mtltiset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O(logN)
  7. multiset的作用：可以对元素进行排序

         multiset 的使用与 set一致，最大区别就是：set去重+排序，multiset元素可重复+排序

注意：查找的元素是相同元素的时候，返回的是中序遇到相同的第一个元素的迭代器

使用 multiset 要包含头文件：

#include <set>

六、map的介绍和使用

6.1 map的介绍

map的文档介绍：map - C++ Reference (cplusplus.com)https://legacy.cplusplus.com/reference/map/map/?kw=map

翻译：

  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
  3. typedef pair<const Key, T> value_type
  4. 在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的
  5. 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)
  6.  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
  7. 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 的模板参数有4个 

  1. 第四个模板参数 class Alloc = allocator<pair<const Key, T> > 是空间配置器，现在不用理会
  2. 第三个模板参数 class Compare = less<Key> 是仿函数，平时不用理会，使用缺省值即可，前面也介绍过了，有需要再传参，默认按照小于来比较
  3. 第二个模板参数 class T 是键值对中 value 的类型
  4. 第二个模板参数 class Key 是键值对中 key 的类型

注意：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) 

使用 map 需要包含头文件：

#include <map>

注意：map 也是去重+排序 

6.2 map的使用 

先介绍 map成员类型：

  •  key_type 是第一个模板参数（Key）
  • mapped_type 是第二个模板参数（T）
  • value_type 是 pair<const key_type, mapped_type> 进行 typedef 得到的
  • key_compare 是第三个模板参数（Compare），比较的是 key_type（Key），缺省值为 less
  • value_compare 是用于比较元素的嵌套函数类

map接口跟 set差不多，但是 map多了随机访问的接口，对 map很重要，下面介绍

（1）构造函数

测试代码

void Test_Map()
{
	//KV模型，通过 Key查找Value
	//map<Key, Value>
	map<int, char> m1;//空构造
	map<int, string> m2;//空构造

	map<int, char> m3(m1.begin(), m1.end());//区间构造
	map<int, char> m4(m1);//拷贝构造
}

 （2）赋值重载

void Test_Map()
{
	map<int, char> m1;//空构造
	map<int, char> m2(m1);//拷贝构造
	//赋值重载
	map<int, char> m3;
	m3 = m1;
}

析构函数自动调用，不解释

（3）Iterators

支持迭代器则支持范围 for 

测试代码

void Test_Map()
{
	map<int, char> m1;//空构造
	//插入数据。后面解释
	m1.insert(make_pair(1, 'a'));
	m1.insert(make_pair(2, 'b'));
	m1.insert(make_pair(3, 'c'));
	m1.insert(make_pair(4, 'd'));
	m1.insert(make_pair(4, 'd'));//key已存在则不插入，map去重

	//遍历
	//map<int, char>::iterator it = m1.begin();
	auto it = m1.begin();
	while (it != m1.end())
	{
		//通过Key查找Value
		//first是Key，second是Value，（KV模型）
		//键值对 pair<T1, T2> ---> pair<first, second>
		cout << it->first << "-->" << it->second << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;
	//范围for
	for (auto& e : m1)//建议加上引用，否则数据大量的时候会带来拷贝大的代价
	{
		cout << e.first << "-->" << e.second << endl;
	}
}

运行结果

 （4）Capacity

一个判空和一个返回数据的大小，就不演示了

（5）Modifiers

swap 和 clear 不演示了，下面介绍 insert 和 erase

 erase接口如下

常用就是传 Key 删除节点，不多解释

insert 接口如下：

最常用就是第一个，问题来了，pair<iterator, bool> 是什么？？

先看 insert 接口解释：

  • 参数类型 value_type 是 pair<const key_type, mapped_type> 进行 typedef 得到的，也就是说参数是一个键值对，并使用引用传参
  • insert 第一个（框起来的）的返回类型为 pair<iterator, bool>
  • pair<iterator, bool> 第一个iteratior是迭代器，第二个是 bool，用于反映是否插入成功，成功返回true，否则返回false
  • 如果插入成功（即元素不存在进行插入），返回为 pair<iterator, true>，迭代器返回的是新插入元素位置的迭代器（pair）
  • 如果插入失败（即元素已经存在），返回为 pair<iterator, false>，迭代器返回的是已存在元素位置的迭代器（pair）

注：这个对下面理解 [] 很重要

测试代码

void Test_Map()
{
	map<int, char> m1;//空构造
	//插入也要指明键值对的类型 pair<T1, T2>
	m1.insert(pair<int, char>(1, 'a'));
	m1.insert(pair<int, char>(2, 'b'));
	// pair<T1, T2> 也可以写成 make_pair
	m1.insert(make_pair(3, 'c'));
	m1.insert(make_pair(4, 'd'));
	m1.insert(make_pair(4, 'd'));//key已存在则不插入，map去重

	for (auto& e : m1)//建议加上引用，否则数据大量的时候会带来拷贝大的代价
	{
		cout << e.first << "-->" << e.second << endl;
	}
}

运行结果

解释一下 make_pair

 make_pair 是一个模板函数，在 pair 的文档有介绍

 make_pair 定义如下:

简单来说，这个函数的功能就像是给 pair<T1, T2> 进行 typedef 为 make_pair，直接使用即可 

注：pair<T1, T2>（x, y）是一个匿名对象

下面解释 map的随机访问

（6）Element access 

接口如下：

operator[] 接口定义如下

operator[] 访问的条件是：只需传入第一个模板参数，即 Key 的值，也就是说 [] 访问是通过 Key 来进行访问的

operator[] 详情如下：

翻译： 

  1. 如果k（Key）与容器中元素的键匹配（即Key存在），则函数返回对其映射值的引用，即返回 Key 值的引用
  2. 如果k（Key）与容器中任何元素的键不匹配（即Key不存在），函数将插入具有该键的新元素，并返回对其映射值的引用，即返回 新插入 Key 值的引用
  3. 注意，即使没有为元素分配映射值（即不给T传值，T为空），该元素使用其默认构造函数构造，插入新元素后，这会将容器大小增加1
  4. at 成员函数功能与 [] 类似，但是在具有键的元素存在时具有相同的行为（即查找的元素 Key 是存在的时候，at 和 [] 的功能是一样的），但在不存在时抛出异常（即查找的 Key 不存在，[] 的功能是把这个 Key 直接插入map中，但是 at 是抛异常，不会进行插入）

总结：

  • [] 的功能是 查找+修改+插入 （修改的原因是 [] 返回 mapped_type（T）值的引用）
  • at 的功能是 查找+修改（不支持插入）

[] 等价于：

(*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first)).second
  1.  make_pair(k, mapped_type()) 第一个参数k（Key）为 pair 第一个模板参数T1
  2. 第二个参数 mapped_type() 是一个匿名对象，为 pair 第二个模板参数T2，mapped_type 是 map 第二个模板参数T，即T()
(*((this->insert( make_pair(k, mapped_type()) )).first)).second

make_pair(k, mapped_type())

         make_pair 返回的类型是 pair<T1, T2>，make_pair 返回 pair<T1, T2>，insert 进行接收， 把 pair<T1, T2> （x, y）作为insert 的参数，即参数 const value_type& val

也就是说

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

可以转换为（方便理解）：

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

---
T& operator[](const Key& k)
{
    pair<iterator,bool> ret = insert( make_pair(k, T());
    //insert 返回 pair<iterator,bool>
    //迭代器在pair的first的位置（即用 . 可以访问pair的成员变量 first）
    //迭代器内容访问方式为 ->
    //-> 操作符的重载前面篇章有过解释
    return ret.first->second;
}

假设给你一个 string，要统计水果出现的次数 

string arr[] = { "苹果", "西瓜", "香蕉", "草莓", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };

可以使用map进行统计，代码如下：

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

	map<string, int> countMap1;
	for (auto& e : arr)
	{
		//map<string, int>::iterator it = countMap
		auto it = countMap1.find(e);
		if (it == countMap1.end())//没有就进行插入
		{
			countMap1.insert(make_pair(e, 1));
		}
		else
		{
			it->second++;
		}
	}

	for (const auto& kv : countMap1)
	{
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
	cout << endl;

	//使用 []
	map<string, int> countMap2;
	for (auto& e : arr)
	{
        //不存在则插入
        //[] 的功能是 查找+修改+插入
        //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
		countMap2[e]++;
	}

	for (const auto& kv : countMap2)
	{
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
}

运行结果

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logN
  6. map支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找 

（7） find

直接使用，就不解释了，不懂看文档 

七、multimap的介绍和使用

multimap文档的介绍：multimap - C++ Reference (cplusplus.com)icon-default.png?t=N176https://legacy.cplusplus.com/reference/map/multimap/

翻译：

  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

 multimap的使用和map一致，就不解释了

注意：

  1. multimap中没有重载 operator[] 操作，因为 multimap 的 Key 可能不唯一
  2. 使用时与map包含的头文件相同

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文章到这里就结束了，下一篇即将更新

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