【C++修炼之路】18.map和set

每一个不曾起舞的日子都是对生命的辜负

map和set

本节目标：

• 1. 关联式容器
• 2. 键值对
• 3. 树形结构的关联式容器

一.关联式容器

在初阶阶段，我们已经接触过STL中的部分容器，比如：vector、list、deque、forward_list(C++11)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。那什么是关联式容器？它与序列式容器有什么区别？

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。

键值对：

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。

树形结构的关联式容器：

根据应用场景的不桶，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。下面一依次介绍每一个容器。

二.set

2.1 set的介绍

set的底层为二叉搜索树，也就是上一节中所实现的，不过在此之上，set作为容器来说，封装了和以前的vector、list、deque相关的迭代器、运算符重载等，方便我们去进行一系列的操作。

仍然是需要看文档：

set - C++ Reference (cplusplus.com)

可以发现，这与之前我们所学的容器的方法几乎差不多。只不过有了些许特征：

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。
6. set没有[]重载。

注意：

1. 与map/multimap不同，map/multimap中存储的是真正的键值对<key, value>，set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. et中的元素不可以重复(二叉搜索树中重复则不会插入，并且返回false因此可以使用set进行去重)。
4. 使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列
5. set中的元素默认按照小于来比较
6. set中查找某个元素，时间复杂度为：$lo{g}_{2}n$ （实际上是二叉搜索树的高度次）
7. set中的元素不允许修改(为什么?)
8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

2.2 set的使用

头文件当然是：#include<set>

1.set的模板参数列表

T: set中存放元素的类型，实际在底层存储<value, value>的键值对。
**Compare：**set中元素默认按照小于来比较
**Alloc：**set中元素空间的管理方式，使用STL提供的空间配置器管理

对于Compare来说，利用仿函数默认小于，就是默认按照升序去处理的，即上一讲中的二叉搜索树中序从小到大。

2.set的构造

函数声明	功能介绍
set (const Compare& comp = Compare(), const Allocator&= Allocator() );	构造空的set
set (InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare(), const Allocator& =Allocator() );	用[first, last)区间中的元素构造set
set ( const set<Key,Compare,Allocator>& x);	set的拷贝构造

3.set的迭代器

对于set的迭代器，和之前的vector、list相同，有正向迭代器、反向迭代器、const迭代器。名称都是一样的。

容量的函数也是如此，就不一一展示了，看上面文档就行，如果知道vector、list的容量函数，也可以不看。

4.set修改操作

pair<iterator,bool> insert (const value_type& x )	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<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>
void erase ( iterator position )	删除set中position位置上的元素
size_type erase ( constkey_type& x )	删除set中值为x的元素，返回删除的元素的个数
void erase ( iterator first,iterator last )	删除set中[first, last)区间中的元素
void swap (set<Key,Compare,Allocator>&st );	交换set中的元素，实际上只需交换搜索树根节点的指针
iterator find ( constkey_type& x ) const	返回set中值为x的元素的位置
size_type count ( constkey_type& x ) const	返回set中值为x的元素的个数

对于第一个pair,实际上就是KV模型，下面会展示。erase的重载也没什么，交换函数值得一提的是由于底层是二叉搜索树，因此swap只需交换根节点的指针。对于find,count, 由于set是去重的元素，因此上面提到的返回位置以及元素个数并不需要在意，因为每一个元素都是唯一的。而也有不唯一的容器：multiset，multiset只排序不去重，下面讲这个的时候会知道返回位置是中序遍历的第一个。

演示1：

#include<iostream>
#include<set>//底层是二叉搜索树：自动进行排序去重
using namespace std;void test_set1()
{set<int> s;//排序+去重s.insert(3);s.insert(1);s.insert(4);s.insert(7);s.insert(2);s.insert(1);set<int>::iterator it = s.begin();//auto it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : s)//范围for底层就是迭代器{cout << e << " ";}cout << endl;auto pos = s.find(3); //这个更快，因为借用搜索树的特性//auto pos = find(s.begin(), s.end(), 3);//底层实现不一样，这个是暴力查找if (pos != s.end()){s.erase(pos);}cout << s.erase(1) << endl;cout << s.erase(3) << endl;s.erase(1);s.erase(1);for (auto e : s)//范围for底层就是迭代器{cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{test_set1();return 0;
}

演示2：

5.bound函数

在文档中发现，有两个函数：lower_bound，upper_bound，这两个实际上也是迭代器类型，传入的只有一个参数，同样是左闭右开，传值之后可以标记对应的位置：

int main()
{set<int> myset;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(70);myset.erase(itlow, itup);for (set<int>::iterator it = myset.begin(); it != myset.end(); it++){cout << " " << *it;}cout << endl;return 0;
}

可见，对于erase也有迭代器为参数的重载函数，此外，通过bound类型的迭代器可以保存位置。即便没有该元素，同样可以标记，因为元素是有序。

如果把70变成75，itup同样会得到80的位置，所以upper_bound返回的是大于该位置的边界，可以对标end()，而lower_bound对标begin，返回的是大于等于的边界。这就非常方便获得一个左闭右开的范围。但这个东西实际上用的不多。

三.multiset

与set不同的是，multiset虽然会排序，但并不会进行去重，因此是由重复值的存在的。底层仍然是二叉搜索树。

#include<iostream>
#include<set>
#include<string>
using namespace std;
void test_set2()
{multiset<int> s;//单纯排序，没有去重s.insert(3);s.insert(1);s.insert(4);s.insert(7);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(1);s.insert(1);s.insert(3);cout << s.count(1) << endl;//1的数量for (auto e : s)//范围for底层就是迭代器{cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{test_set2();return 0;
}

需要注意的是查找的返回值是中序遍历的第一个。

四.map

3.1 map的介绍

map的底层当然也是二叉搜索树，但就好比set是K模型一样，map就是上篇二叉搜索树提到的KV模型，即一一对应的方式。

文档说明：

www.cplusplus.com

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： typedef pair<const key, T value_type>;
3. 在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的
4. 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)。
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. 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))。

3.2 map的使用

头文件当然是：#include<map>

1.map的模板参数说明

key: 键值对中key的类型
T： 键值对中value的类型
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)
**Alloc：**通过空间配置器来申请底层空间，不需要用户传递，除非用户不想使用标准库提供的空间配置器

而对于map的构造，迭代器的一些，与之前的容器使用方式相同，就不展示了，需要可以自行查看文档。

2.pair的介绍

我们需要知道pair：

first就是Key，second是Value。就是KV模型的结构。在搜索树定义的时候，我们是直接定义了两个变量类型：K，V。那为什么需要pair这个东西将两个值放在一起呢？实际上是为了map能够更方便的操作，举个例子，对于map,如果是迭代器访问，返回的时候不可能返回两个参数，这时候以pair为参数的函数就派上用场了，直接返回pair类型就好了。

、

但pair类型也不支持流插入，所以就需要一个一个的访问

int main()
{map<string, string> dict;dict.insert(pair<string, string>("排序", "sort"));//匿名对象dict.insert(pair<string, string>("左边", "left"));dict.insert(pair<string, string>("右边", "right"));dict.insert(make_pair("字符串", "string"));//make_pair是一个函数模板//map<string, string>::iterator it = dict.begin();auto it = dict.begin();//这样方便while (it != dict.end()){//cout << *it << endl;//pair不支持流插入，因此这样不行//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl; //这样可以cout << it->first << ":" << it->second << endl;//返回的是数据的地址/指针++it;}cout << endl;for (const auto& kv : dict)//注意加引用，不加就是拷贝构造，代价大{cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}return 0;
}

3.map的[]重载

如果想通过map统计水果出现的次数，可以这样：

int main()
{//map统计水果操作的次数string arr[] = { "苹果", "西瓜", "香蕉", "草莓", "西瓜","苹果", "苹果","西瓜","苹果",  "香蕉", "苹果", "香蕉" };map<string, int> countMap;for (auto& e : arr){auto it = countMap.find(e);if (it == countMap.end())//没有就插入{countMap.insert(make_pair(e, 1));}else{it->second++;}}for (const auto& kv : countMap)//注意加引用，不给就是拷贝构造，代价大{cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}return 0;
}

但这样看起来麻烦很多，实际上可以通过这种方式：

int main()
{//map统计水果操作的次数string arr[] = { "苹果", "西瓜", "香蕉", "草莓", "西瓜","苹果", "苹果","西瓜","苹果",  "香蕉", "苹果", "香蕉" };map<string, int> countMap;for (auto& e : arr){countMap[e]++;}for (const auto& kv : countMap)//注意加引用，不加就是拷贝构造，代价大{cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}return 0;
}

方括号支持的是随机访问，而对于这个括号来说，括号里的实际上是key,countMap[e]就是value。

上面所标注的就是map[]重载的返回值，发现还有insert的操作，所以我们应该先知道insert的返回值：

发现insert返回类型为pair<iterator, bool>类型，看看文档是如何说明的：

因此，我们可以将最上面的map重载的返回值进行解释了，可以转化成这样了：

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

这样，我们就知道，operator返回的就是map<string, int>的第二个参数，并且是引用返回，所以map的映射关系就是这样的。

可以看出，C++map的[]有很多功能：

1. 插入
2. 修改
3. 查找

因此，了解底层之后我们也可以直接这样写：

int main()
{map<string, string> dict;dict.insert(pair<string, string>("排序", "sort"));//匿名对象dict.insert(pair<string, string>("左边", "left"));dict.insert(pair<string, string>("右边", "right"));dict.insert(make_pair("字符串", "string"));//make_pair是一个函数模板dict["迭代器"] = "iterator"; // 插入+修改dict["insert"];//单纯的插入，默认构造的va为""//dict.insert(pair<string, string>("左边", "XXX"));//这样会插入失败，因为已经有了"左边"dict["insert"] = "插入";//修改cout << dict["左边"] << endl;// 查找//key在就是查找，不在就是插入return 0;
}

因此，用[]代替insert很方便，而且对于已有的key，如果想再插入相同的key，无论对应的value是否相同，都不能成功，因为pair<iterator, bool>对应的bool会返回false。如果想修改指定key的value，就用[]。

对于词典来说，由于一词多义，key和value也可能不是一一映射的关系，有可能是一个key对应多个value，这个时候，可以这样map<string, vector<string>>，除此之外，也可以利用multimap，下面将会提到。

再次说明：map中用pair保存值。

五.multimap

和multset一样，multimap与map相比也是不会进行去重，只是有序。

那继续看一下，用multimap完成上面说的”一词多义“：

#include<iostream>
#include<map>
#include<string>
using namespace std;
int main()
{multimap<string, string> dict;dict.insert(pair<string, string>("left", "左边"));dict.insert(pair<string, string>("left", "剩余"));dict.insert(pair<string, string>("string", "字符串"));dict.insert(pair<string, string>("left", "xxx"));for (const auto& kv : dict){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}return 0;
}

multimap是不支持[]重载的，文档里面也没有：

multimap - C++ Reference (cplusplus.com)

但multimap同样可以统计次数，因为下面的方式是先find，再加入或者值++。

#include<iostream>
#include<map>
#include<string>
using namespace std;
int main()
{string arr[] = { "苹果", "西瓜", "香蕉", "草莓", "西瓜","苹果", "苹果","西瓜","苹果",  "香蕉", "苹果", "香蕉" };multimap<string, int> countMap;for (auto& e : arr){auto it = countMap.find(e);if (it == countMap.end())//没有就插入{countMap.insert(make_pair(e, 1));}else{it->second++;}}for (const auto& kv : countMap)//注意加引用，不给就是拷贝构造，代价大{cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}return 0;
}

这样也可以统计次数。