【044】深入探索STL：解密set与multiset容器的神秘力量

news2024/10/10 6:21:46

解密set与multiset容器的神秘力量

  • 引言
  • 一、set和 multiset容器概述
  • 二、set容器常用API
  • 三、multiset的常用API
  • 四、对组 pair
    • 4.1、概念
    • 4.2、创建对组 pair 的方式
  • 五、使用示例
    • 5.1、重定义排序规则
    • 5.2、队组pair的使用
  • 总结

引言

💡 作者简介：一个热爱分享高性能服务器后台开发知识的博主，目标是通过理论与代码实践的结合，让世界上看似难以掌握的技术变得易于理解与掌握。技能涵盖了多个领域，包括C/C++、Linux、Nginx、MySQL、Redis、fastdfs、kafka、Docker、TCP/IP、协程、DPDK等。
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一、set和 multiset容器概述

STL（Standard Template Library）中的set和multiset是两种常用的关联容器，用于存储一组有序且唯一的元素。它们具有以下基本概念：

  1. set容器：

    • set是一个有序容器，其中的元素按照特定的排序准则进行排序。
    • 每个元素在set中只能存在一次，重复的插入将无效。
    • 使用二叉搜索树（红黑树）数据结构来实现元素的存储和检索，因此其插入、删除和查找操作的平均时间复杂度为O(logN)，其中N是元素的数量。
    • set中的元素默认以升序排列，也可以自定义排序规则。

  2. multiset容器：

    • multiset与set类似，但允许存储重复的元素。
    • 元素在multiset中按照特定的排序准则进行排序，并且插入操作总是成功，不会检测重复元素。
    • 与set相比，multiset的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度也是O(logN)。

这两种容器都提供了一系列的成员函数和迭代器来操作和访问元素，例如插入元素、删除元素、查找元素等。此外，它们还提供了丰富的算法和操作符重载来方便地处理容器中的元素。
在这里插入图片描述

注意：在使用set和multiset时，由于元素的有序性和二叉搜索树的特性，插入、删除和查找操作的时间复杂度相对于其他容器（如vector或list）可能更高。

二、set容器常用API

下面是set容器的常用接口函数原型：

  1. 构造函数：
explicit set(const Compare& comp = Compare(), const Allocator& alloc = Allocator());
explicit set(const Allocator& alloc);
template <class InputIterator>
set(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare(), const Allocator& alloc = Allocator());
set(const set& other);
set(set&& other) noexcept;
  1. 插入和删除元素：
iterator insert(const value_type& value);
iterator insert(value_type&& value);
iterator insert(const_iterator hint, const value_type& value);
iterator insert(const_iterator hint, value_type&& value);
template <class InputIterator>
void insert(InputIterator first, InputIterator last);
void erase(iterator position);
size_type erase(const key_type& key);
void erase(iterator first, iterator last);
void clear() noexcept;
  1. 访问元素和容量相关：
iterator find(const key_type& key);
const_iterator find(const key_type& key) const;
size_type count(const key_type& key) const;
bool empty() const noexcept;
size_type size() const noexcept;
  1. 迭代器相关：
iterator begin() noexcept;
const_iterator begin() const noexcept;
iterator end() noexcept;
const_iterator end() const noexcept;
reverse_iterator rbegin() noexcept;
const_reverse_iterator rbegin() const noexcept;
reverse_iterator rend() noexcept;
const_reverse_iterator rend() const noexcept;
const_iterator cbegin() const noexcept;
const_iterator cend() const noexcept;
const_reverse_iterator crbegin() const noexcept;
const_reverse_iterator crend() const noexcept;

这里只列举了部分常用的接口函数原型，set容器还包含其他许多用于比较、交换、合并等操作的函数。此外，还可以通过迭代器对容器中的元素进行遍历和访问。

例如：下面是set容器的upper_bound、lower_bound和equal_range接口函数的原型：

  1. upper_bound函数原型：
iterator upper_bound(const key_type& key);
const_iterator upper_bound(const key_type& key) const;
  1. lower_bound函数原型：
iterator lower_bound(const key_type& key);
const_iterator lower_bound(const key_type& key) const;
  1. equal_range函数原型：
std::pair<iterator, iterator> equal_range(const key_type& key);
std::pair<const_iterator, const_iterator> equal_range(const key_type& key) const;

这些函数用于在set容器中进行元素搜索。它们根据元素的键值进行查找，并返回满足特定条件的迭代器或迭代器范围。

  • upper_bound函数返回一个迭代器，指向第一个大于给定键值的元素位置。
  • lower_bound函数返回一个迭代器，指向第一个不小于给定键值的元素位置。
  • equal_range函数返回一个包含两个迭代器的pair对象，分别表示与给定键值匹配的元素范围的起始和结束位置。

注意以上函数假设set容器中的元素已经按照严格弱排序的方式（默认是由小到大）进行了排序。
在这里插入图片描述

三、multiset的常用API

下面是multiset容器的所有接口函数的原型：

  1. 构造函数：
explicit multiset(const Compare& comp = Compare(), const Allocator& alloc = Allocator());
explicit multiset(const Allocator& alloc);
template <class InputIterator>
multiset(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare(), const Allocator& alloc = Allocator());
multiset(const multiset& other);
multiset(multiset&& other) noexcept;
  1. 插入和删除元素：
iterator insert(const value_type& value);
iterator insert(value_type&& value);
iterator insert(const_iterator hint, const value_type& value);
iterator insert(const_iterator hint, value_type&& value);
template <class InputIterator>
void insert(InputIterator first, InputIterator last);
void erase(iterator position);
size_type erase(const key_type& key);
void erase(iterator first, iterator last);
void clear() noexcept;
  1. 访问元素和容量相关：
iterator find(const key_type& key);
const_iterator find(const key_type& key) const;
size_type count(const key_type& key) const;
bool empty() const noexcept;
size_type size() const noexcept;
  1. 迭代器相关：
iterator begin() noexcept;
const_iterator begin() const noexcept;
iterator end() noexcept;
const_iterator end() const noexcept;
reverse_iterator rbegin() noexcept;
const_reverse_iterator rbegin() const noexcept;
reverse_iterator rend() noexcept;
const_reverse_iterator rend() const noexcept;
const_iterator cbegin() const noexcept;
const_iterator cend() const noexcept;
const_reverse_iterator crbegin() const noexcept;
const_reverse_iterator crend() const noexcept;
  1. lower_bound、upper_bound和equal_range接口函数的原型与set相同。

这些函数的作用和用法与set容器类似，但multiset容器允许存储重复的键值，因此在插入和删除元素时不会执行唯一性检查。其余的特性和接口函数与set相同。

四、对组 pair

对组(pair)将一对值组合成一个值，这一对值可以具有不同的数据类型，两个值可以分别用pair的两个公有属性first和second模板: template <class T1, class T2> struct pair。

4.1、概念

STL（Standard Template Library）提供了一个名为pair的模板类，用于表示有序的、具有固定数量的数据元素对。pair模板类定义在 <utility> 头文件中。

pair模板类的定义如下：

template<class T1, class T2>
struct pair {
    typedef T1 first_type;    // 第一个元素类型
    typedef T2 second_type;   // 第二个元素类型

    T1 first;    // 第一个元素
    T2 second;   // 第二个元素

    // 构造函数
    template<class U, class V>
    pair(U&& x, V&& y);
    ...
};

pair类具有以下特性和功能：

  1. pair类包含公共的两个成员变量：first和second，分别存储第一个元素和第二个元素。

  2. 可以通过直接访问成员变量 first 和 second 来获取或修改元素的值。

  3. pair类支持复制构造函数、移动构造函数和赋值运算符重载。

  4. 参数化类型 T1 和 T2 决定了 pair 可以存储的元素类型。可以是任何可复制、可比较和可分配内存的类型。

  5. pair 类还提供了方便的构造函数用于创建对象，并将传入的值分配给 first 和 second。

  6. pair 类还支持比较操作符（如 ==、!=、<、>、<=、>=）的重载，用于比较两个 pair 对象之间的大小关系。

使用示例：

#include <iostream>
#include <utility>

int main() {
    std::pair<int, double> myPair(10, 3.14);

    std::cout << "First element: " << myPair.first << std::endl;
    std::cout << "Second element: " << myPair.second << std::endl;

    myPair.first = 20;
    myPair.second = 2.71;

    std::cout << "Modified first element: " << myPair.first << std::endl;
    std::cout << "Modified second element: " << myPair.second << std::endl;

    return 0;
}

输出结果：

First element: 10
Second element: 3.14
Modified first element: 20
Modified second element: 2.71

4.2、创建对组 pair 的方式

在STL中，创建pair对象有多种方式：

  1. 使用构造函数创建：
#include <utility>

std::pair<int, double> myPair(10, 3.14);
  1. 使用make_pair函数创建：
#include <utility>

auto myPair = std::make_pair(10, 3.14);
  1. 使用花括号初始化列表创建（C++11及以上版本）：
#include <utility>

auto myPair = std::pair<int, double>{10, 3.14};
  1. 使用赋值运算符创建：
#include <utility>

std::pair<int, double> myPair;
myPair = std::make_pair(10, 3.14);

无论使用哪种方式创建pair对象，都要指定两个元素的类型，并提供对应数量的参数来初始化first和second成员变量。

五、使用示例

5.1、重定义排序规则

仿函数:重载函数调用运算符()的类。

class MyGreater
{
public:
	bool operator() (int v1， int v2){
		return v1>v2;
	}
};
void test(){
	// set<int,排序规则>sl;
	set<int,MyGreatersl;s1.insert(30);
	s1.insert(10);
	s1.insert(20);
	s1.insert(50);
	s1.insert(40);

}

set存放自定义数据必须修改排序

5.2、队组pair的使用

void test()
{
	set<int> sl;
	s1.insert(10);
	s1.insert(30);
	s1.insert(50);
	s1.insert(70);
	s1.insert(90);
	set<int> : : const_iterator ret;
	ret = s1 .lower_bound (50);
	if(ret!=s1.end( ) )
	{
		cout<<"下限为:"<<*ret<<endl;
	}
	ret = s1.upper_bound (50);
	if(ret! =s1.end())
	{
		cout<<"上限为:"<<*ret<<endl;
	}
	//以对组的方式存储上下限pair
	pair< set<int> : :const_iterator , set<int> ::const_iterator> pa;
	pa= s1.equal_range(50);
	if(pa.first != s1.end())
	{
		cout<<"下限为:"<<*(pa.first)<<endl;
	}
	if(pa.second != s1.end())
	{
		cout<<"上限为:"<<*(pa.second)<<endl;
	}

总结

  • set的特性是所有元素都会根据元素的键值自动被排序，set的元素即是键值又是实值。
  • set不允许两个元素有相同的键值。
  • set容器的迭代器是只读迭代器，不允许修改键值，会破坏set的内存布局。
  • multiset特性及用法和set完全相同，唯一的差别在于它允许键值重复。

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