C++ STL set容器：高效编程的利器

深入探索 C++ STL 中的 std::set：特性、用法与高级技巧

在 C++ 标准模板库（STL）中，std::set 是一个非常强大且常用的关联式容器。它基于红黑树实现，具有自动排序和高效查找的特点。本文将深入探讨 std::set 的特性、基本用法以及一些高级技巧，帮助你更好地理解和使用这个容器。

1. std::set 的基本特性

std::set 是一个基于二叉树实现的关联式容器，具有以下特性：

• 自动排序：std::set 中的元素会按照特定顺序自动排序，默认情况下是升序。

• 唯一性：std::set 不允许重复元素。如果需要存储重复元素，可以使用 std::multiset。

• 高效查找：由于基于红黑树实现，std::set 的查找、插入和删除操作的时间复杂度均为 O(log n)。

2. 基本用法

2.1 构造与初始化

std::set 的构造方式非常灵活。以下是一些常见的构造方法：

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#include <iostream>
#include <set>

int main() {
    // 默认构造
    std::set<int> s1;
    s1.insert(4);
    s1.insert(1);
    s1.insert(3);

    // 拷贝构造
    std::set<int> s2(s1);

    // 使用初始化列表构造
    std::set<int> s3 = {1, 2, 3, 4};

    // 打印集合内容
    for (int num : s3) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

2.2 插入与删除

std::set 提供了高效的插入和删除操作。插入操作会自动将元素按顺序插入到合适的位置，而删除操作则会移除指定的元素。

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#include <iostream>
#include <set>

void printSet(const std::set<int>& s) {
    for (int num : s) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    std::set<int> s;
    s.insert(4);
    s.insert(1);
    s.insert(3);

    std::cout << "After insert: ";
    printSet(s);

    s.erase(3);  // 删除元素 3
    std::cout << "After erase: ";
    printSet(s);

    s.clear();  // 清空集合
    std::cout << "After clear: ";
    printSet(s);

    return 0;
}

2.3 查找与统计

std::set 提供了高效的查找功能，可以通过 find 方法查找特定元素，也可以通过 count 方法统计元素的出现次数。

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#include <iostream>
#include <set>

int main() {
    std::set<int> s = {1, 2, 3, 4};

    auto it = s.find(3);
    if (it != s.end()) {
        std::cout << "Found: " << *it << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Not found" << std::endl;
    }

    // 统计元素出现次数
    std::cout << "Count of 3: " << s.count(3) << std::endl;
    std::cout << "Count of 5: " << s.count(5) << std::endl;

    return 0;
}

3. 高级用法

3.1 自定义排序规则

默认情况下，std::set 使用 < 运算符对元素进行升序排序。然而，我们可以通过自定义比较函数来改变排序规则。

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#include <iostream>
#include <set>

struct Compare {
    bool operator()(int a, int b) const {
        return a > b;  // 降序排序
    }
};

int main() {
    std::set<int, Compare> s = {1, 2, 3, 4};

    for (int num : s) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

3.2 使用 std::multiset

如果需要存储重复元素，可以使用 std::multiset。它与 std::set 的用法类似，但允许重复元素。

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#include <iostream>
#include <set>

void printMultiset(const std::multiset<int>& ms) {
    for (int num : ms) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    std::multiset<int> ms;
    ms.insert(1);
    ms.insert(1);
    ms.insert(2);
    ms.insert(3);

    printMultiset(ms);

    // 删除指定元素
    ms.erase(1);
    printMultiset(ms);

    return 0;
}

3.3 配合 std::pair 使用

std::set 也可以存储复杂的数据类型，例如 std::pair。通过自定义比较函数，可以实现对 std::pair 的排序。

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#include <iostream>
#include <set>

struct PairCompare {
    bool operator()(const std::pair<int, int>& a, const std::pair<int, int>& b) const {
        return a.first < b.first;  // 按第一个元素排序
    }
};

int main() {
    std::set<std::pair<int, int>, PairCompare> s;
    s.insert({1, 2});
    s.insert({2, 3});
    s.insert({1, 4});

    for (const auto& p : s) {
        std::cout << "{" << p.first << ", " << p.second << "} ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

4. 性能分析

std::set 基于红黑树实现，因此其插入、删除和查找操作的时间复杂度均为 O(log n)。这使得它在处理大量数据时仍然保持高效。然而，由于红黑树的维护成本较高，std::set 的性能可能不如基于哈希表的容器（如 std::unordered_set）。在选择容器时，需要根据具体需求权衡。

5. 总结

std::set 是一个功能强大且高效的关联式容器，适用于需要自动排序和高效查找的场景。通过自定义比较函数，可以灵活地调整排序规则。同时，std::multiset 提供了对重复元素的支持，进一步扩展了其应用场景。

希望本文能帮助你更好地理解和使用 std::set。如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言讨论！