C++进阶--map和set的介绍及使用

一、关联式容器与键值对

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pair

  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，即通过该英文单词，在词典中就可以找到与其对应的中文含义。
SGI-STL中关于键值对的定义：

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){}
};

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。下面依次介绍每一个容器。

二、set

2.1 set的介绍

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。

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. set中的元素不可以重复(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：$lo{g}_{2}n$
7. set中的元素不允许修改
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

2.2.1 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>的键值对的。
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

2.2.2 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

2.2.3 set的迭代器

函数声明	功能介绍
iterator begin()	返回set中起始位置元素的迭代器
iterator end()	返回set中最后一个元素后面的迭代器
const_iterator cbegin() const	返回set中起始位置元素的const迭代器
const_iterator cend() const	返回set中最后一个元素后面的迭代器
reverse_iterator rbegin()	返回set第一个元素的反向迭代器，即end
reverse_iterator rend	返回set最后一个元素下一个位置的反向迭代器，即rbegin
const_reverse_iterator crbegin() const	返回set第一个元素的反向const迭代器，即cend
const_reverse_iterator crend() const	返回set最后一个元素下一个位置的反向const迭代器，即crbegin

2.2.4 set的容量

函数声明	功能介绍
bool empty() const	检测set是否为空，空返回true，否则返回true
size_type size() const	返回set中有效元素的个数

2.2.5 set修改操作

函数声明	功能介绍
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的position位置上的元素
size_type erase(const key_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
void clear()	将set中的元素清空
iterator find(const key_type& x) const	返回set中值为x的元素的位置
size_type count(const key_type& x) const	返回set中值为x的元素的个数

2.2.6 set的使用举例

#include <set>
void TestSet()
{// 用数组array中的元素构造setint array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0 };set<int> s(array, array+sizeof(array)/sizeof(array));cout << s.size() << endl;// 正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可去重for (auto& e : s)cout << e << " ";cout << endl;// 使用迭代器逆向打印set中的元素for (auto it = s.rbegin(); it != s.rend(); ++it)cout << *it << " ";cout << endl;// set中值为3的元素出现了几次cout << s.count(3) << endl;
}

三、multiset

3.1 multiset的介绍

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)。
   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$O(lo{g}_{2}N)$
7. multiset的作用：可以对元素进行排序

3.2 multiset的使用

此处只简单演示set与multiset的不同，其他接口接口与set相同

#include <set>
void TestSet()
{int array[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 7 };// 注意：multiset在底层实际存储的是<int, int>的键值对multiset<int> s(array, array + 	sizeof(array)/sizeof(array[0]));for (auto& e : s)cout << e << " ";cout << endl;return 0;
}

四、map

4.1 map的介绍

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通常用于排序和唯一地标识元素，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))。

4.2 map的使用

4.2.1 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
注意：在使用map时，需要包含头文件。

4.2.2 map的构造

函数声明	功能介绍
map()	构造一个空的map

4.2.3 map的迭代器

函数声明	功能介绍
begin()和end()	begin：首元素的位置，end最后一个元素的下一个位置
cbegin()和cend()	与begin和end意义相同，但cbegin和cend所指向的元素不能修改
rbegin()和rend()	反向迭代器，rbegin在end位置，rend在begin位置，其++和- -操作与begin和end操作移动相反
crbegin()和crend()	与rbegin和rend位置相同，操作相同，但crbegin和crend所指向的元素不能修改

4.2.4 map的容量与元素访问

函数声明	功能介绍
bool empty() const	检测map中的元素是否为空，是返回true，否则返回false
size_type size() const	返回map中有效元素的个数
mapped_type& operator[](const key_type& k)	返回去key对应的value

问题：当key不在map中时，通过operator获取对应value时会发生什么问题？

注意：在元素访问时，有一个与operator[]类似的操作at()（该函数不常用）函数，都是通过key找到与key对应的value然后返回其引用，不同的是：当key不存在时，operator[]用默认value与key构造键值对然后插入，返回默认value，at()函数直接抛异常。

4.2.5 map中元素的修改

函数声明	功能介绍
pair insert(const value_type& x)	在map中插入键值对x，注意x是一个键值对，返回值也是键值对：iterator代表新插入元素的位置，bool代表释放插入成功
void erase(iterator position)	删除position位置上的元素
size_type erase(const key_type& x)	删除键值为x的元素
void erase(iterator first, iterator last)	删除[first last)区间中的元素
void swap(map<Key,T,Compare,Allocator>& mp)	交换两个map中的元素
void clear()	将map中的元素清空
iterator find (const key_type& x)	在map中插入key为x的元素，找到返回该元素的位置的迭代器，否则返回end
const_iterator find(const key_type& x) const	在map中插入key为x的元素，找到返回该元素的位置的const迭代器，否则返回cend
size_type count (const key_type& x) const	返回key为x的键值在map中的个数，注意map中key是唯一的，因此该函数的返回值要么为0，要么为1，因此也可以用该函数来检测一个key是否在map中

#include <string>
#include <map>
void TestMap()
{map<string, string> m;// 向map中插入元素的方式：// 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用pair直接来构造键值对m.insert(pair<string, string>("peach", "桃子"));// 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用make_pair函数来构造键值对m.insert(make_pair("banan", "香蕉"));// 借用operator[]向map中插入元素/*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*/// 将<"apple", "">插入map中，插入成功，返回value的引用，将“苹果”赋值给该引用结果，
m["apple"] = "苹果";// key不存在时抛异常//m.at("waterme") = "水蜜桃";cout << m.size() << endl;// 用迭代器去遍历map中的元素，可以得到一个按照key排序的序列for (auto& e : m)cout << e.first << "--->" << e.second << endl;cout << endl;// map中的键值对key一定是唯一的，如果key存在将插入失败auto ret = m.insert(make_pair("peach", "桃色"));if (ret.second)cout << "<peach, 桃色>不在map中, 已经插入" << endl;elsecout << "键值为peach的元素已经存在：" << ret.first->first << "--->"<< ret.first->second <<" 插入失败"<< endl;// 删除key为"apple"的元素m.erase("apple");if (1 == m.count("apple"))cout << "apple还在" << endl;elsecout << "apple被吃了" << endl;
}

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)，查找效率比较高$O(lo{g}_{2}N)$
6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

五、multimap

5.1 multimap的介绍

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。

5.2 multimap的使用

multimap中的接口可以参考map，功能都是类似的。
注意：

1. multimap中的key是可以重复的。
2. multimap中的元素默认将key按照小于来比较。
3. multimap中没有重载operator[]操作。
4. 使用时与map包含的头文件相同：

六、完整代码

6.1 test.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
#include<set>
#include<map>
#include<string>
using namespace std;//set  -- key
//map  -- key/valuevoid test_set1()
{//排序+去重，最后输出为1 2 3 4 set<int> s1;s1.insert(3);s1.insert(1);s1.insert(4);s1.insert(2);s1.insert(1);s1.insert(2);set<int>::iterator it1 = s1.begin();while (it1 != s1.end()){//搜索树不允许修改key，可能会破坏搜索的规则//*it1 += 1;cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;//范围forfor (auto e : s1){cout << e << " ";}cout << endl;
}void test_set2()
{//排序+去重set<int> s1;s1.insert(3);s1.insert(1);s1.insert(4);s1.insert(2);s1.insert(1);s1.insert(2);int x;while (cin >> x){/*auto ret = s1.find(x);if (ret != s1.end()){cout << "在" << endl;}else{cout << "不在" << endl;}*/if (s1.count(x)){cout << "在" << endl;}else{cout << "不在" << endl;}}
}void test_set3()
{//只进行排序，不去重，最后输出为1 1 2 2 3 4multiset<int> s1;s1.insert(3);s1.insert(1);s1.insert(4);s1.insert(2);s1.insert(1);s1.insert(2);multiset<int>::iterator it1 = s1.begin();while (it1 != s1.end()){//搜索树不允许修改key，可能会破坏搜索的规则//*it1 += 1;cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;//范围forfor (auto e : s1){cout << e << " ";}cout << endl;//多个key，find中序的第一个keyauto ret = s1.find(1);while (ret != s1.end() && *ret == 1){cout << *ret << " ";++ret;}cout << endl;cout << s1.count(1) << endl;cout << s1.count(2) << endl;
}//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)
//	{}
//};void test_map1()
{map<string, string> dict;//dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));dict.insert(make_pair("sort", "排序"));dict.insert(make_pair("string", "字符串"));dict.insert(make_pair("count", "计数"));dict.insert(make_pair("string", "(字符串)"));    //插入失败  只要是key相同（不管value相不相同）就表示相同dict["left"];       //插入dict["right"] = "右边";    //插入+修改dict["string"] = "(字符串)";    //修改cout << dict["string"] << endl;   //查找cout << dict["string"] << endl;   //查找//map<string, string>::iterator dit = dict.begin();auto dit = dict.begin();while (dit != dict.end()){//cout << (*dit).first << ":" << (*dit).second << endl;cout << dit->first << ":" << dit->second << endl;++dit;}cout << endl;
}void test_map2()
{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& e : arr){auto ret = countMap.find(e);if (ret == countMap.end()){countMap.insert(make_pair(e, 1));}else{ret->second++;}}for (auto& kv : countMap){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}*/for (auto& e : arr){countMap[e]++;}for (auto& kv : countMap){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}
}//V& operator[](const K& key)                 //1.插入 2.修改 3.插入+修改 4.查找
//{
//	pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
//	return ret.first->second;
//}int main()
{//test_set1();//test_set2();//test_set3();//test_map1();test_map2();return 0;
}