《C++ Primer Plus》第16章：string类和标准模板库（8）

关联容器

关联容器（associative container）是对容器概念的另一个改进。关联容器将值与键关联在一起，并使用键来查找值。例如，值可以表示雇员信息（如姓名、地址、办公室号码、家庭电话和工作电话、健康计划等）的结构，而键可以是唯一的员工编号。为获取雇员信息，程序将使用键查找雇员结构。前面说过，对于容器 X，表达式 X::value_type 通常指出了存储在容器中的值类型。对于关联容器来说，表达式 X::key_type 指出了键的类型。

关联容器的优点在于，它提供了对元素的快速访问。与序列相似，关联容器也允许插入新元素，但不能指定元素的插入位置。原因是关联容器通常有用于确定数据放置位置的算法，以便能够快速检索信息。

关联容器通常是使用某种树实现的。树是一种数据结构，其根节点链接到一个或两个节点，而这些节点又链接到一个或两个节点，从而形成分支结构。像链表一样，节点使得添加或删除数据项比较简单；但相对于链表，树的查找速度更快。

STL提供了4种关联容器：set、multiset、map 和 multimap。前两种是在头文件 set（以前分别为 set.h 和 multiset.h）种定义的，而后两种是在头文件 map（以前分别为 map.h 和 multimap.h）中定义的。

最简单的关联容器是 set，其值类型与键相同，键是唯一的，这意味着集合中不会有多个相同的键。确实，对于 set 来说，值就是键。multiset 类似于 set，只是可能有多个值的键相同。例如，如果键和值的类型为 int，则 multiset 对象包含的内容可以是 1、2、2、2、3、5、7、7。

在 map 中，值与键的类型不同，键是唯一的，每个键只对应一个值。multimap 与 map 相似，只是一个键可以与多个值相关联。

有关这些类型的信息很多，无法在本章全部列出（但附录G列出了方法），这里只介绍一个使用 set 的简单例子和一个使用 multimap 的简单例子。

1. set 示例
   STL set 模拟了多个概念，它是关联集合，可反转，可排序，且键是唯一的，所以不能存储多个相同的值。与 vector 和 list 相似，set 也使用模板参数来指定要存储的值类型：

   set<string> A;		// a set of string objects
   

   第二个模板参数是可选的，可用于指示用来对键进行排序的比较函数或对象。默认情况下，将使用模板 less<> （稍后将讨论）。老式 C++ 实现k额能没有提供默认值，因此必须显示指定模板参数：

   set<string, less<string> > A;		// older implementation
   

   请看下面的代码：

   const int N = 6;
   string s1[N] = {"buffoon", "thinkers", "for", "heavy", "can", "for" };
   set<string> A(s1, s1 + N);		// initialize set A using a range from array
   ostream_iterator<string, char> out(cout, " ");
   copy(A.begin(), A.end(), out);
   

   与其他容器相似，set 也有一个将迭代器区间作为参数的构造函数。这提供了一种将集合初始化为数组内容的简单方法。请记住，区间的最后一个元素是超尾，s1+N 指向数组 s1 尾部后面的一个位置。上述代码片段的输出表明，键是唯一的（字符串"for"在数组中出现了2次，但在集合中值出现了1次），且集合被排序：

   buffoon can for heavy thinkers
   

   数学为集合定义了一些标准操作，例如，并集包含两个集合合并后的内容。如果两个集合包含相同的值，则这个值在并集中只出现一次，这是因为键是唯一的。交集包含两个集合都有的元素。两个集合的差是第一个集合减去两个集合都有的元素。

   STL 提供了支持这些操作的算法。它们是通用的函数，而不是方法，因此并非只能用于 set 对象。然而，所有 set 对象都自动满足使用这些算法的先决条件，即容器是经过排序的。 set_union() 函数接受 5 个迭代器参数。前两个迭代器定义了第一个集合的区间，接下来的两个定义了第二个集合区间，最后一个迭代器是输出迭代器，指出将结果集合复制到什么位置。例如，要显示集合 A 和 B 的丙级，可以这样做：

   set_union(A.begin(), A.end()， B.begin()，B.end()，ostream_iterator<string, char> out(cout, " "));
   

   假设要将结果放到集合 C 中，而不是显示它，则最后一个参数应是一个指向C的迭代器。显而易见的选择是 C.begin()，但它不管用，原因有两个。首先，关联集合将键看作常量，所以C.begin() 返回的迭代器是常量迭代器，不能用作输出迭代器。不直接使用 C.begin() 的第二个原因是，与 copy() 相似，set_union() 将覆盖容器中已有的数据，并要求容器有足够的空间容纳新信息。C 是空的，不能满足这种要求。但前面讨论的模板 insert_iterator 可以解决这两个问题。前面说过，它可以将复制转换为插入。另外，它还模拟了输出迭代器概念，可以用它将信息写入容器。因此，可以创建一个匿名 insert_iterator，将信息复制给 C。前面说过，其构造函数将容器名称和迭代器作为参数：

   set_uniong(A.begin(), A.end(), B.begin(), B.end(), insert_iterator<set<string> >(C. C.begin() );
   

   函数 set_intersection() 和 set_difference() 分别查找交集和获得两个集合的差，它们的接口与 set_union() 相同。两个有用的方法是 lower_bound() 和 upper_bound()。方法 lower_bound() 将键作为参数并返回一个迭代器，该迭代器指向集合中第一个不小于键参数的成员。同样，方法 upper_bound() 将键作为参数，并返回一个迭代器，该迭代器指向集合中第一个大于键参数的成员。例如，如果有一个字符串集合，则可以用这些方法获得一个这样的区间，即包含集合中从 “b” 到 “f” 的所有字符串。

   因为排序决定了插入的位置，所以这种类包含只指定要插入的信息，而不指定位置的插入方法。例如，如果 A 和 B 是字符串集合，则可以这样做：

   string s("tennis");
   A.insert(s);			// insert a value
   B.insert(A.begin(), A.end() );		// insert a range
   

   下面的程序演示了集合的这些用途：

   // setops.cpp -- some set operations
   #include <iostream>
   #include <string>
   #include <set>
   #include <algorithm> 
   #include <iterator>int main(){using namespace std;const int N = 6;string s1[N] = {"buffoon", "thinkers", "for", "heavy", "char", "for"};string s2[N] = {"metal", "any", "food", "elegant", "deliver", "for"};set<string> A(s1, s1+N);set<string> B(s2, s2+N);ostream_iterator<string, char> out(cout, " ");cout << "Set A: ";copy(A.begin(), A.end(), out);cout << endl;cout << "Set B: ";copy(B.begin(), B.end(), out);cout << endl;cout << "Union of A and B:\n";set_union(A.begin(), A.end(), B.begin(), B.end(), out);cout << endl;cout << "Intersection of A and B:\n";set_intersection(A.begin(), A.end(), B.begin(), B.end(), out);cout << endl;cout << "Difference of A and B:\n";set_difference(A.begin(), A.end(), B.begin(), B.end(), out);cout << endl;set<string> C;cout << "Set C:\n";set_union(A.begin(),A.end(),B.begin(),B.end(),insert_iterator<set<string> >(C,C.begin()));copy(C.begin(),C.end(),out);cout << endl;string s3("grungy");C.insert(s3);cout << "Set C after insertion:\n";copy(C.begin(), C.end(), out);cout << endl;cout << "Showin a range:\n";copy(C.lower_bound("ghost"),C.upper_bound("spook"),out);cout << endl;return 0;
   }
   

   下面是程序的输出：

   Set A: buffoon char for heavy thinkers
   Set B: any deliver elegant food for metal
   Union of A and B:
   any buffoon char deliver elegant food for heavy metal thinkers
   Intersection of A and B:
   for
   Difference of A and B:
   buffoon char heavy thinkers
   Set C:
   any buffoon char deliver elegant food for heavy metal thinkers
   Set C after insertion:
   any buffoon char deliver elegant food for grungy heavy metal thinkers
   Showin a range:
   grungy heavy metal
   

   和本章大多数示例一样，该程序在处理名称空间 std 时采取了偷懒的方式：

   using namespace std;
   

   这样做旨在简化表达方式。这些示例使用了名称空间中非常多的元素，如果使用 using 声明或作用域运算符，代码将变得混乱：

   std::set<std::string> B(s2, s2+N)
   std::ostream_iterator<std::string, char> out(std::cout, " ");
   std::cout << "Set A: ";
   std::copy(A.begin(), A.end(), out);
   

2. multimap 示例
   与 set 相似，multimap 也是可反转的、经过排序的关联容器，但键和值的类型不同，且同一个键可能与多个值相关联。
   基本的 multimap 声明使用模板参数指定键的类型和存储的值类型。例如，下面的声明创建一个 multimap 对象，其中键类型为 int，存储的值类型为 string：

   multimap<int, string> codes;
   

   第3个模板参数是可选的，指出用于对键进行排序的比较函数或对象。在默认情况下，将使用模板less<> （稍后将讨论），该模板将键类型作为参数。老式 C++ 实现可能要求显示指定该模板参数。

   为将信息结合在一起，实际的值类型将键类型和数据类型结合为一对。为此，STL 使用模板类pair<class T, class U> 将这两种值存储到一个对象中。如果 keytype 是键类型，而 datatype 是存储的数据类型，则值类型为 pair<const keytype, datatype>。例如，前面声明的 codes 对象的值类型为 pair<const int, string>。

   例如，假设要用区号作为键来存储城市名（这恰好与 codes 声明一致，它将键类型声明为 int，数据类型声明为 string），则一种方法是创建一个 pair，再将它插入：

   pair<const int, string> item(213, "Los Angeles");
   codes.insert(item);
   

   也可使用一条语句创建匿名 pair 对象并将它插入：

   codes.insert(pair<const int, string> (213, "Los Angeles"));
   

   因为数据项是按键排序的，所以不需要指出插入位置。
   对于 pair 对象，可以使用 first 和 second 成员来访问其两个部分了：

   pair<const int, string> item(213, "Los Angeles");
   cout << item.first << ' ' << item.second << endl;
   

   如何获得有关 multimap 对象的信息呢？成员函数 count() 接受键作为参数，并返回具有该键的元素数目。成员函数 lower_bound() 和 upper_bound() 将键作为参数，且工作原理与处理 set 时相同。成员函数 equal_range() 用键作为参数，且返回两个迭代器，它们表示的区间与该键匹配。为返回两个值，该方法将它们封装在一个 pair 对象中，这里 pair 的两个模板参数都是迭代器。例如，下面的代码打印 codes 对象中区号为 718 的所有城市：

   pair<multimap<KeyType, string>::iterator, multimap<KeyType, string>::iterator> range= cods.equal_range(718);
   cout << "Cities with area code 718:\n";
   std::multimap<KeyType, std::string>::iterator it;
   for (it - range.first; it != range.seconde; ++it){cout << (*it).second << endl;
   }
   

   在声明中可使用 C++11 自动类型推断功能，这样代码将简化为如下所示：

   auto range = codes.equal_range(718);
   cout << "Cities with area code 718:\n";
   for (auto it = range.first; it != range.second; ++it){cout << (*it).second << endl;
   }
   

   下面的程序演示了上述大部分计数，它也是用 typedef 来简化代码：

   // multimap.cpp -- use a multimap#include<iostream>
   #include<string>
   #include<map>
   #include<algorithm>typedef int KeyType;
   typedef std::pair<const KeyType, std::string> Pair;
   typedef std::multimap<KeyType, std::string> MapCode;int main(){using namespace std;MapCode codes;codes.insert(Pair(415,"San Francisco"));codes.insert(Pair(510, "Oakland"));codes.insert(Pair(718, "Brooklyn"));codes.insert(Pair(718, "Staten Island"));codes.insert(Pair(415, "San Rafael"));codes.insert(Pair(510, "Berkeley"));cout << "Number of cities with area code 415: "<< codes.count(415) << endl;cout << "Number of cities with area code 718: "<< codes.count(718) << endl;cout << "Number of cities with area code 510: "<< codes.count(510) << endl;cout << "Area Code City\n";MapCode::iterator it;for(it = codes.begin(); it!=codes.end(); ++it){cout << "     " << (*it).first << "    "<< (*it).second << endl;}pair<MapCode::iterator, MapCode::iterator> range= codes.equal_range(718);cout << "Cities with area code 718:\n";for (it = range.first; it!=range.second; ++it){cout << (*it).second << endl;}return 0;
   }
   

   下面的是程序的输出：

   Number of cities with area code 415: 2
   Number of cities with area code 718: 2
   Number of cities with area code 510: 2
   Area Code City415    San Francisco415    San Rafael510    Oakland510    Berkeley718    Brooklyn718    Staten Island
   Cities with area code 718:
   Brooklyn
   Staten Island
   

无序关联容器（C++11）

无序关联容器是对容器概念的另一种改进。与关联容器一样，无序关联容器也将值与键关联起来，并使用键来查找值。但底层的差别在于，关联容器是基于树结构的，而无序关联容器是基于数据结构哈希表的，这旨在提高添加和删除元素的速度以及提高查找算法的效率。有4种无序关联容器，它们是 unordered_set、unordered_multiset、unordered_map 和 unordered_multimap，将在附录 G 更详细地介绍。