C++ map和set

✨前言：本文中会对map、set、multiset、multimap的常用接口进行介绍，对于map中operator[]运算符重载的原理进行了讲解，其中map和set介绍较为详细，对关联式容器，键值对的概念及使用也做了介绍.

🌿1. 关联式容器

根据"数据在容器中的排列"特性，STL容器可分为序列式（sequence）和关联式（associative）两种，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>的键值对，在数据检索时比序列式容器效率更高.

🥦2. 键值对

键值对（pair）是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：我们现在要建立一个英汉互译的字典，那该字典中就必须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，即通过该单词，在字典中就能找到与其对应的中文含义.

这是SGI-STL中对于pair的定义

键值对的使用：

void Test()
{
	pair<string, string> pr("moon", "月亮");
    
    //first表示key值,second表示value
	cout << pr.first << ":" << pr.second << endl;
}

🌳3. 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关联式容器：树型结构和哈希结构，树型结构的关联式容器主要有四种：map、set、multimap、multiset，其中multimap、multiset是根据map和set衍生出来的.
这四种容器共同的特点是：都使用红黑树作为其底层结构.

此外，SGI STL还提供了一个不在标准规格之列的哈希结构的关联式容器：hash_table（散列表），以及以此hash table为底层实现机制而完成的hash_set（散列集合）、hash_map（散列映射表）、hash_multiset（散列多键集合）、hash_multimap（散列多键映射表）.

🍁4. set

📗4.1 set的介绍

首先来看一下set的一些介绍及特性：

1. set是按照一定次序存储元素的容器，所有元素都会根据元素的键值自动被排序
2. set的元素不像map那样可以同时拥有实值（key）和键值（value），set元素的键值就是实值，实值就是键值，并且set不允许两个元素有相同的键值.
3. set中的元素不能修改，但可以进行插入或删除.
4. set的底层是用红黑树实现的
5. set拥有与list相同的某些性质：当客户端对它进行元素新增操作(insert)或删除(erase)操作时，操作之前的所有迭代器，在操作完成后都依然有效.

那么为什么set中的元素不允许修改呢？
我们先来看一看SGI STL源码中的定义：

typedef typename rep_type::const_iterator iterator;

这里的rep_type是这样定义的：

typedef rb_tree<key_type, value_type, identity<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;

其实rep_type也就是红黑树，这样也就验证了底层是红黑树的说法，那么其实，set所开放的各种操作接口，RB-tree也都提供了，所以几乎所有的set操作行为，都只是在转调RB-tree的接口而已.

对于set中的元素能不能修改，我们来看看set的迭代器：

typedef typename rep_type::const_iterator iterator;

也就是说，set的迭代器其实是复用了RB-tree的const_iterator，所以set中不能修改元素值.

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：logN
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

📗4.2 set的使用

📖4.2.1 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。

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

📖4.2.2 set的构造

set (const Compare& comp = Compare(), const Allocator& =Allocator() );

默认构造（空构造）：构造一个空的set

注意：这里的key_compare和allocator_type是因为在STL源码中进行了typedef.

set (InputIterator first, InputIterator last, const Compare&comp = Compare(), const Allocator& = Allocator() );

用迭代器区间[first,last)进行构造.

set ( const set<Key,Compare,Allocator>& x);

是set的拷贝构造.

📖4.2.3 set的迭代器

set的迭代器与其他容器的迭代器种类类似，有正向迭代器，反向迭代器，const迭代器，这里不做太多介绍，下面会写代码演示.

📖4.2.4 set的容量

set::empty：判断set是否为空，是则返回true，反之返回false.

set::size：返回set中有效元素的个数

set::max_size：返回set中能容纳最大元素的个数

📖4.2.5 set的修改操作

这里主要介绍insert和erase，clear和swap操作比较简单，读者可自行了解.

set::insert：

pair<iterator,bool> insert (const value_type& x )

功能：在set中插入元素val，实际插入的是<val, val>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>

iterator insert (iterator position, const value_type& val);

功能：在position位置插入val，返回新插入元素的位置.

void insert (InputIterator first, InputIterator last);

功能：插入迭代器区间[first,last)的值.

set::erase：

void erase (iterator position);

功能：删除set中position位置上的元素

size_type erase (const value_type& val);

功能：删除set中值为val的元素，返回删除的元素的个数

void erase (iterator first, iterator last);

功能：删除set中[first, last)区间中的元素

📖4.2.6 set的其他操作

这里主要介绍find、count、lower_bound、upper_bound这四个接口.

set::find：

iterator find (const value_type& val) const;

功能：在set中查找val，如果找到，返回val所在的位置，反之返回end()

set::count：

size_type count (const value_type& val) const;

功能：返回set中值为val的元素的个数，这里要特别强调的是，这个函数的返回值只有两个值：0或1，因为在set中元素不允许重复，所以要么val在set中，且只有一个，要么不在，为0个.

所以在set中，count方法也可以用来判断元素是否存在.

int main()
{
	set<int> s;
    
    //如果存在返回1,不存在返回0
	if (s.count(1))
	{
		cout << "1存在" << endl;
	}
	{
		cout << "1不在" << endl;
	}

	return 0;
}

set::lower_bound：

iterator lower_bound (const value_type& val) const;

功能：lower_bound会返回>= val的最小值.

set::upper_bound：

功能：upper_bound会返回set中> val的最小值

例如，对于这样一个0,1,2,3,4,5,6

如果调用s.lower_bound(3)，就会返回3
如果调用s.upper_bound(3)，就会返回4

使用这两个函数，我们可以实现一个删除[x,y]，闭区间的值.

void Test()
{
	set<int> s;
	s.insert(5);
	s.insert(0);
	s.insert(3);
	s.insert(1);
	s.insert(4);
	s.insert(6);
	s.insert(2);
	s.insert(7);
	
	//删除[x,y]区域的值
	int x, y;
	cin >> x >> y;
	auto left = s.lower_bound(x);
	auto right = s.upper_bound(y);
    
    //由于erase方法删除的是[first,end)前闭后开,而upper_bound方法正好返回比y大的那个值,
    //保证了将[x,y]区间内的值删掉
	s.erase(left, right);
}

然后，对于上述set的接口，我们来测试一下：

void Test01()
{
	set<int> s;
	s.insert(5);
	s.insert(0);
	s.insert(3);
	s.insert(1);
	s.insert(4);
	s.insert(6);
	s.insert(2);
	s.insert(7);
	s.insert(2);   //在这里我们重复插入了一个2,但输出时,set中只有一个2,验证set具有去重功能.
	
    cout << "删除前：" << endl;
    //用范围for遍历set -> 遍历结果有序
	for (const auto& e : s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	cout << "共插入"<<s.size()<<"个元素" << endl;

	if (!s.empty())
	{
		cout << "set不为空" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "set为空" << endl;
	}

	set<int>::iterator pos = s.find(3);

	if (pos != s.end())
	{
		s.erase(pos);
	}
    
    cout<<"删除后："<<endl;
    //用迭代器遍历set
	set<int>::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		//set不允许修改key
		//*it = 10; -> 报错
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

}

运行结果如下：

🍀5. map

📙5.1 map的介绍

这是文档中对于map的介绍，其中主要介绍这么几点：

1. map是关联式容器，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 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))

注意：在map中，键值key通常用于排序和惟一地标识元素，所以在进行insert、find、erase等这些操作时，操作对象一般都是key.

📙5.2 map的使用

📖5.2.1 map的模板参数

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<map>

📖5.2.2 map的构造

默认构造（空构造）：

explicit map (const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());

其中的key_compare和allocator_type为比较器和空间配置器，不需要我们自己传递.
功能：返回一个空的map

迭代器区间构造：

map (InputIterator first, InputIterator last,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());

拷贝构造：

map (const map& x);

这两种构造与上面介绍的set类似，不再细说.

📖5.2.3 map的迭代器

📖5.2.4 map的元素与容量访问

这三个接口与上面set类似，可以看set中的叙述.

📖5.2.5 详解map的operator[]运算符重载

这里着重来看这样一个接口：

也就是map中重载了[]运算符，那么这个运算符如何使用呢？

假如，我们现在有一些水果，需要统计各个水果的个数，就可以使用这样一段代码：

#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;

int main()
{
	string str[] = { "香蕉", "苹果", "梨", "西瓜", "葡萄", "苹果", "西瓜", "香蕉", "香蕉" };
	map<string, int> countMap;

	for (const auto& e : str)
	{
		countMap[e]++;
	}

	for (const auto& m : countMap)
	{
		cout << m.first << ": " << m.second << "个" << " ";
	}
	cout << endl;


	return 0;
}

运行结果：

我们会发现，我们只使用了countMap[e]++这样一个操作就完成了这个需求，那为什么它可以这样做呢？

这条语句便是operator[]的实现，但这句代码非常不直观，所以我们将它分解一下：

key_type表示的是map中键值对<key,value>中key的类型，mapped_type表示的是map中键值对<key,value>中value的类型.
所以这个函数的功能是，如果传入的k在map中还不存在，那就在map中插入以这个k值为key构造的键值对pair，然后返回这个键值对的value值，如果已经存在，返回的是已经存在的以k为键值的pair的位置.

所以对于countMap[e]++;：如果key存在，就++value，如果不存在，创建key然后++value.
如果只写成countMap[e]，那就只插入，不修改.

📖5.2.6 map的修改操作

map的修改操作接口与set基本没有差别，唯一区别就是map插入的是pair键值对，所以这里对于其他接口不再细说，只说一下map的插入：

对于map的插入操作，首先，我们需要构建一个pair键值对，然后插入到map中，那么构造键值对除了我们在上面讲的方法之外，还有一种是使用pair中的一个方法:

由于函数模板可以进行类型自动推演，所以我们使用这个函数，就不用再显式的写出参数，只需要写我们要插入的值即可：

具体用法如下：

//创建一个map
map<string, string> dict;

//使用先构建pair对象,然后插入
dict.insert(pair<string, string>("moon","月亮"));

//使用make_pair函数
dict.insert(make_pair("moon", "月亮"));

map的一些其他接口：

这些接口也参考set中的讲解.

map的测试：

void Test02()
{
	map<string, string> dict;

	dict.insert(make_pair("moon", "月亮"));
	dict.insert(make_pair("color", "颜色"));
	dict.insert(make_pair("bottle", "瓶子"));
	dict.insert(make_pair("paper", "纸"));
	dict.insert(make_pair("seawater", "海水"));
	dict.insert(make_pair("plank", "木板"));

	string str;   
	
	while (cin >> str)
	{
		map<string, string>::iterator it = dict.find(str);
		if (it != dict.end())
		{
			cout <<it->first<<":"<< it->second << endl;
		}
		else
		{
			cout << "未查询到此单词" << endl;
		}
	}
    
    cout<<"删除前: "<<endl;
	for (const auto& e : dict)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
    
    //删除key为"moon"的元素
    dict.erase("moon");
    cout<<"删除后: "<<endl;
    for (const auto& e : dict)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
}

运行结果：

同时可以观察到，map打印的结果是按照key排序的

🍃6. multiset

对于multiset的介绍，由于它与set太过类似，所以这里只是简单说下它们之间的区别.

对于multiset，它是对set可以插入重复元素后的衍生版本，所以它与set的唯一区别就是它允许插入重复值，也就是说它只能排序，不能去重.

还有对于count这个接口，在set中，它只会返回0或1，但在multiset中，允许插入重复元素，所以它的返回值就要根据具体的元素个数而定.

对于erase这个接口，在set中调用，会将set中存在的唯一的那个value删掉，但如果在multiset中调用，它会删除所有的val值.

对于其他的接口以及性质，multiset与set并无区别，大家可以参考set中的去使用.
multiset的底层也是通过红黑树实现的.

注意：使用multiset时不需要重新包含头文件，包含头文件set即可

简单测试multiset：

void Test()
{
	int arr[] = { 0, 0, 0, 1, 2, 3, 4, 5 };
	multiset<int> s;

	for (auto& e : arr)
	{
		s.insert(e);
	}

	for (auto& t : s)
	{
		cout << t << " ";
	}
	cout << endl;
}

🌴7. multimap

对于multimap的介绍，由于它与map太过类似，所以这里只是简单说下它们之间的区别.

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.

在multimap中，也有各别接口稍有差别，参考multiset中的描述.

这里只有一点：在multimap中，没有重载operator[]，为什么？

我们刚才在map说过，operator[]的功能是：如果key不存在，就用key创建pair并插入，如果存在，就返回当前已经存在的元素位置， 可是在multimap中，是允许插入重复key的，如果已经存在多个key，然后再次插入相同的key值，那应该返回哪一个呢？所以这个接口也不能再对单个元素实现计数功能，也就显得没有意义.

对于其他接口的使用，参考map中的讲解.