std::set (C++)

1. 概述

定义

template<class Key,class Compare = std::less<Key>,class Allocator = std::allocator<Key>
>
class std::set;

特点

• 有序：所有元素按严格弱序（由 Compare 决定）排列，不保证相同键的重复出现（键唯一）。

• 唯一键：插入时如果集合中已有相同元素，不会增加新的节点。

• 底层结构：通常基于红黑树（balanced binary search tree）实现。

2. 内部实现

1. 红黑树

   • 平衡二叉查找树，保证从根到任一叶子路径的“黑色节点数”相同，从而令树高度为 O(log n)。

2. 节点结构

   • 每个节点存储：
     • 元素值 Key
     • 左/右子指针和父指针
     • 一个颜色标记（红或黑）

3. 拷贝与移动

   • 拷贝时会对整棵树进行深拷贝；移动构造则接管底层指针，无需逐节点复制。

3. 性能特征

操作	平均复杂度	最坏复杂度	备注
insert	O(log n)	O(log n)	包括查找插入位置与调整平衡
erase	O(log n)	O(log n)	按键删除时需旋转与重着色
find	O(log n)	O(log n)
clear	O(n)	O(n)	释放所有节点
遍历	O(n)	O(n)	中序遍历即可

• 内存开销：

  • 每个节点需存储三个指针（左右、父）和一个颜色字段，相比哈希表更紧凑但比 std::vector 等顺序容器要高。

• 迭代器失效规则：

  • 插入和删除会使仅被删除的节点的迭代器失效，其他节点迭代器保持有效。

4. 常用 API

// 构造与析构
std::set<Key> s1;                             // 默认构造
std::set<Key> s2({k1, k2, k3});               // 初始化列表
std::set<Key, Compare> s3(comp);              // 指定比较器// 大小与容量
bool empty() const noexcept;
size_t size() const noexcept;
size_t max_size() const noexcept;// 元素访问
iterator find(const Key& key);
size_t count(const Key& key) const;           // 要么 0，要么 1// 插入
std::pair<iterator,bool> insert(const Key& key);
iterator insert(iterator hint, const Key& key);
template<class... Args>
std::pair<iterator,bool> emplace(Args&&... args);// 删除
size_t erase(const Key& key);
iterator erase(iterator pos);
iterator erase(iterator first, iterator last);// 遍历
iterator begin() noexcept;
iterator end() noexcept;
const_iterator cbegin() const noexcept;
const_iterator cend() const noexcept;// 有序查询
iterator lower_bound(const Key& key);         // ≥ key 的第一个位置
iterator upper_bound(const Key& key);         // > key 的第一个位置
std::pair<iterator,iterator> equal_range(const Key& key);// 比较器与分配器访问
Compare key_comp() const;
Compare value_comp() const;                   // 同 key_comp
Allocator get_allocator() const noexcept;// 交换
void swap(std::set& other) noexcept;

5. 使用示例

#include <set>
#include <iostream>int main() {std::set<int> s;// 插入s.insert(3);s.emplace(1);s.insert({5, 2, 4});// 查找if (s.find(2) != s.end()) {std::cout << "2 存在\n";}// 遍历（中序：1,2,3,4,5）for (int x : s) {std::cout << x << " ";}std::cout << "\n";// 有序查询auto it = s.lower_bound(3);  // 指向 3std::cout << "lower_bound(3): " << *it << "\n";// 删除s.erase(3);                  // 删除值为 3 的节点// 范围删除s.erase(s.begin(), s.lower_bound(4)); // 删除所有 <4 的元素// 清空s.clear();
}

6. 自定义比较器

当需要自定义排序规则（如降序或复合键）时，可提供自定义比较器：

struct Desc {bool operator()(int a, int b) const {return a > b;  // 降序}
};std::set<int, Desc> s_desc;  // 插入后，将按从大到小顺序存储

对于复合类型：

struct Person {std::string name;int age;
};struct ByAgeName {bool operator()(Person const& a, Person const& b) const {if (a.age != b.age) return a.age < b.age;return a.name < b.name;}
};// 年龄升序，若年龄相同则按名字升序
std::set<Person, ByAgeName> roster;

7. 注意事项与优化

1. 避免不必要的拷贝

   • insert(const Key&) 会拷贝一次；若可移动，优先使用 insert(Key&&) 或 emplace()。

2. hint 参数

   • insert(hint, key)：若能提供一个接近正确位置的迭代器 hint，可将插入复杂度降到常数时间。

3. 批量插入

   • 对初始化列表或范围插入，建议先 reserve()（C++23 起支持）或构造时传入范围，以减少重平衡次数。

4. 避免迭代器失效

   • 删除或插入仅影响相关节点迭代器，其他迭代器保持有效。

8. 使用建议

• 适用场景

  • 需要自动排序且元素唯一时，首选 std::set。
  • 需要查询前驱/后继、区间操作（lower_bound、upper_bound、中序遍历）时非常方便。

• 不适用场景

  • 需要允许重复键或多对一映射时，改用 std::multiset 或 std::map。
  • 对性能有极致要求且不在意顺序时，可考虑 std::unordered_set（哈希实现，平均 O(1)）。