C++ 【set、map模拟实现】

news2024/9/22 5:30:18

目录

set概念

 set基本使用

map概念

map的使用

map统计次数

operator[]

operator[]底层如何实现？

set和map迭代器封装

红黑树迭代器基本结构

operator++

operator--

operator[]

源代码链接

map、set底层都使用平衡搜索树(即红黑树)，容器中的元素是一个有序的序列。

数据结构【红黑树模拟实现】_北方留意尘的博客-CSDN博客

set概念

1.set和map都是关联式容器：

与序列式容器(vector、list、deque)不同的是，关联式容器也是用来存储数据的，其里面存储的是结构的键值对(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，例如找到中文即可一一对应英文)，在数据检索时比序列式容器效率更高。

2.在set中，元素的value就是key，是一个key模型(类型为模板参数T)，每个value必须是唯一的(默认去重)。 set中的元素不能在容器中修改(否则会破坏树的结构)，但是可以从容器中插入或删除它们。set是去重+排序(按照中序遍历是有序的)

3.模板中传compare仿函数，是方便控制“比较”规则，less默认用T对象本身比较大小(调用T的operator<),

如果T是自定义类型，默认不支持比较大小；或者需要指针解应用里面的内容来进行比较，可以自己写仿函数

 set基本使用

set.insert

在set中插入元素x，实际插入的是<x, x>,构成的键值对，如果插入成功，返回pair中<该元素在set中的位置，true>;如果插入失败，说明x在set中已经存在，返回<x在set中的位置，false>

set.erase

直接使用erase删除不存在的值，不会报错

直接erase等于下面find+判断erase

erase配合set中find来删除不存在的值，会导致程序崩溃

标题

原因在于find找不到对应值，返回end位置，erase删除了end位置。

正确做法是应该判断pos != end()再进行删除

set和multiset的区别在于：

multiset中的find查找的是所有重复元素，返回的是中序的第一个重复元素；

multiset直接erase删除的是所有重复元素，multiset中的find+erase是删除一个元素

count

count并不是为set准备的，而是为multiset(允许键值冗余)准备的，用于查找重复元素个数

但是实际也可以用count查找在不在，返回bool

lower_bound/upper_bound

 lower_bound返回的是大于等于这个值的位置

upper_bound是开区间，返回大于这个值的位置(给60返回70)

void test_set1()
{
	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(35);                //       ^
	itup = myset.upper_bound(60);      
	cout << *itlow <<" " << *itup << endl;//40 70
}

equal_range:是一种二分查找算法，试图在已排序的[first,last)中寻找value

equal_range结构是pair键值对，给的是一段范围区间

左区间存在pair.first中，右区间存在pair.second中，区间范围是 first <= val < second （左闭右开）

void test_set2()
{
	set<int> myset;

	for (int i = 1; i <= 5; i++) myset.insert(i * 10);// myset: 10 20 30 40 50

	pair<set<int>::const_iterator, set<int>::const_iterator> ret;
	ret = myset.equal_range(30);

	cout << "the lower bound points to: " << *ret.first << '\n';//30
	cout << "the upper bound points to: " << *ret.second << '\n';//40
}

map概念

1.map按照key来比较大小和存储元素，map是由键值key和值value组合，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的

2.键值key用于排序和唯一标识元素，而值value中存储与此键值key关联的内容。key与value通过结构体pair绑定在一起

Key就是Key，T就是value

3. map不允许键值冗余，插入是根据key来判断，value改变而key不改变也无法插入，跟value无关

4. map中的key是唯一的，并且不能修改

5.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

6.仿函数Compare: map中的元素是按照key来比较的，缺省情况下按照小于比较，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(一般情况下用函数指针或者仿函数来传递)

map的使用

map.insert

在map中插入键值对val，注意val是一个键值对，返回值也是键值对：返回值的iterator代表新插入元素的位置/已经存在元素的位置，bool代表是否插入成功 

map.insert并不是直接insert两个值

void test_map()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert("左边","left");//错误写法
}

而是要求给一个pair，而pair有对应的构造函数

void test_map()
{
	map<string, string> dict;
	
    //第一种写法，麻烦
    pair<string, string> dt("left", "左边");
	dict.insert(dt);

    //第二种写法
    dict.insert(pair<string, string>("right", "右边"));//隐式类型转换+匿名对象构造
}

我们也可以使用make_pair函数，自动帮我们推导模板参数，不需要显示传参

void test_map()
{
	map<string, string> dict;
	//pair<string, string> dt("left", "左边");
	dict.insert(make_pair("left","左边"));
}

make_pair函数模板

迭代器

直接使用*it拿pair，会提示pair不支持流插入

为了可以同时拿到key和value才设置成结构体，*it拿到的是pair，拿key对应it->first,拿value对应it->second(结构体时使用->)

void test_map()
{
	map<string, string> dict;
	//pair<string, string> dt("left", "左边");
	dict.insert(make_pair("left","左边"));
	dict.insert(pair<string, string>("right", "右边"));//隐式类型转换+匿名对象
	dict.insert(pair<string, string>("right", "xx"));//隐式类型转换+匿名对象
	auto it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		//cout << (*it).first<<(*it).second << " ";
		cout << it->first<<it->second << "  ";
		++it;
	}
}

map统计次数

void test_map1()
{
	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> CountMap;
	for (auto& s : arr)
	{
		map<string,int>::iterator it = CountMap.find(s);
		if (it != CountMap.end())
		{
			it->second++;//如果map中存在，则++次数
		}
		else
		{
			CountMap.insert(make_pair(s, 1));
            //如果map中不存在，新增对应水果名称，次数为1
		}
	}
	auto it = CountMap.begin();
	while (it != CountMap.end())
	{
		//cout << (*it).first<<(*it).second << " ";
		cout << it->first << it->second <<endl;
		++it;
	}
}

operator[]

如果 k 与容器中元素的键匹配，则该函数返回对其映射值value的引用。 

operator[]介绍：如果 k 与容器中任何元素的键不匹配，则该函数将插入具有该键的新元素，并返回对其映射值的引用。请注意，这始终将容器大小增加 1，如果没有为元素分配映射值，映射元素使用默认构造函数构造。
 

探讨[]

void test_map2()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(make_pair("left", "左边"));
	dict["left"];
	dict["right"];
	dict["left"] = "right";
}
返回引用可以修改

[]有以下功能:

1.如果map中有存在的key，返回value引用，可以用作查找value、修改value

2.如果map中不存在key，会插入新元素pair<key,value()>，调用其value默认构造函数，返回value引用，可以充当插入+修改

operator[]底层如何实现？

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

以下解释来自网站：

https://cplusplus.com/reference/map/map/insert/

解释

insert返回值是pair<iterator,bool>

first首先设置一个迭代器，

如果插入key不在map中，将该迭代器指向新插入的元素。则将对中的第二个元素pair设置为true。pair(new_iterator,true);

如果已存在key，将该迭代器指向跟key相等的元素。则将其设置为false。pair(key_iterator,false)

所以insert插入失败还充当一个查找的功能

pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);

按照上面说法，insert和operator[]有很多重复功能，模拟实现operator[]直接调用insert

mapped_type& operator[] (const key_type& key)
{    
    pair<iterator,bool> ret = insert(make_pair<key,V()>);
    return ret.first->second;
}

解释：构造一个pair，调用insert函数，如果key在，ret.first就是key位置的迭代器，默认构造函数没起作用，ret.first就是取pair迭代器位置，pair.second就是取对应的value

如果key不在，新建一个key位置迭代器元素，返回新插入元素，取默认构造函数。

利用operator[]实现统计次数

void test_map1()
{
	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> CountMap;
	for (auto& s : arr)
	{
		CountMap[s]++;
	}
	auto it = CountMap.begin();
	while (it != CountMap.end())
	{
		//cout << (*it).first<<(*it).second << " ";
		cout << it->first << it->second <<endl;
		++it;
	}
}

 

第一次对象不在map中，插入+修改，使用pair<key,int()>；第二次对象在map中，返回value值++

set和map迭代器封装

set和map的底层共用同一颗红黑树，通过传入不同实例化参数来实现（体现复用性）

底层的RBTree用一个模板接收，上层的set和map通过传入不同的value(set传K，map传键值对pair<K,V>)给RBTree实例化不同的树，其中RBTreeNode节点中只包含了_data，所以在insert等操作时，需要配合仿函数使用(重载)

迭代器begin()与end()代表的是一段前闭后开的区间，而对红黑树进行中序遍历， 可以得到一个有序的序列

因此：begin()可以放在红黑树中最小节点(即最左侧节点)的位置，end()放在最大节点(最右侧节点)的下一个位置

红黑树迭代器基本结构

template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __IteratorRBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node;
	typedef __IteratorRBTree<T, Ref, Ptr> it;
	Node* _node;

	__IteratorRBTree(Node* node)
		:_node(node)
	{}

	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

	bool operator!=(const it& r) const
	{
		return _node != r._node;//节点指针比较
	}

	bool operator==(const it& r) const
	{
		return _node == r._node;//节点指针比较
	}
};

operator++

如果在迭代器中嵌套栈辅助完成，消耗巨大。

由于三岔链可以找parent，operator++中序遍历是有序的，我们可以总结出规律：

1.首先需要找到最左节点(为中序遍历的第一个节点)，例如此时找到节点1，1所在节点代表其左节点已经全部遍历完，此时只需要看1的右子树，就要分情况讨论：1的右子树不为空，++就是找右子树中序遍历的最左节点，此时为6。

2.此时6左右子树都为空，但是6是1的右子树，代表1也早就访问结束(中序决定)，此时需要访问1的parent8。此时++找父亲的parent，总结为++找孩子不是父亲右的那个祖先(持续寻找)

3.找到最后一个节点27后，继续++会沿着三岔链找到13的parent，此时parent为nullptr

    it& operator++()
	{
		if (_node->_right)
		{
			Node* left = _node->_right;
			while (left->_left)//右子树最左节点
			{
				left = left->_left;
			}
			_node = left;
		}
		else//找孩子不是父亲右的那个祖先(持续寻找)
		{
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;
			if(_node == parent->_left)
			{
				_node = _node->_parent;
			}
			else
			{
				while (parent && parent->_right == cur)
				{
					parent = parent->_parent;
					cur = cur->_parent;
				}
				_node = parent;
			}
		}
		return *this;
	}

operator--

operator--和operator++反过来:左子树 <-- 根 <--右子树，关注点在于左子树是否为空

1.左子树不为空，访问左子树最右节点

2.左子树为空，找孩子不是父亲左的那个祖先

it& operator--()
	{
		if ( _node->_left)//不需要判断_node是否为空，如果传空begin构造空迭代器
		{
			Node* right = _node->_left;
			while (right->_right)
			{
				right = right->_right;
			}
			_node = right;
		}
		else//左子树为空
		{
			Node* parent = _node->_parent;
			Node* cur = _node;

			while (parent && parent->_left == cur)
			{
				parent = parent->_parent;
				cur = cur->_parent;
			}
			_node = parent;
		}
		return *this;
	}

operator[]

operator[]底层用insert实现，返回值为pair<iterator,bool>

插入时数据存在,insert返回所在迭代器位置，返回false

插入时数据不存在，insert返回新插入位置，返回true

K/V模型才有[]，还没实例化时无法确定是否为K/V，因此需要在map封装[]

		pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			return _root.insert(kv);
		}
		
		V& operator[](const K& key)
		{
			pair<iterator, bool> tmp = insert(make_pair(key, V()));
			//传V缺省值，如果是int为0，自定义类型调默认构造函数
			return tmp.first->second;//首先取pair的迭代器iterator，再取K/V的second
		}

源代码链接

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