【STL学习】（10）map和set

一、关联式容器

序列式容器： 在之前我们已经学习过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。

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。

tip：STL中的stack、queue和priority_queue属于容器适配器，他们默认使用的基础容器是deque。

二、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。

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)
	{}
};

三、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：树形结构与哈希结构。

树形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）作为其底层结构，容器中的元素是一个有序的序列。下面我们依次学习每一个容器。

• set的使用就是K模型
• map的使用就是KV模型

1. set && multiset

1.1 set介绍

set文档介绍

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：O(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

1.2 set的使用

（1）set的模版类型参数

1. T: set中存放元素的类型，实际在底层存储<value, value>的键值对
2. Compare：set中元素默认按照小于来比较（set的底层是红黑树，红黑树是一种搜索树，搜索树要比较大小，所以set有一个仿函数的模版参数去比较大小的）
3. 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

（2）set的构造

函数声明	功能介绍
explicit set (const key_compare& comp = key_compare(), const allocator_type& alloc = allocator_type());	构造空的set
template set (InputIterator first, InputIterator last, const key_compare& comp = key_compare(), const allocator_type& alloc = allocator_type());	用[first, last)区间中的元素构造set
set (const set& x);	set的拷贝构造

tip：set中元素默认按照小于来比较，我们可以控制仿函数，指定为大于greater。

（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const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

1、set迭代器是双向迭代器，支持 ++和 --，但不支持随机访问！

2、set正向迭代器：默认走的是一个中序遍历

3、set的迭代器指向的内容不能被修改，因为在源码中iterator其实是const_iterator的别名

（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false
size_type size() const	返回set中有效元素的个数

（5）set的修改操作

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中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

1、set插入数据的时候，不会插入重复数据。即set中存储的元素value都是唯一的，不可以重复！——》set可以应用于排序+去重

2、set的查找find找到返回该元素位置的迭代器，找不到返回end。注：set查找的时间复杂度为O(logN)，但使用库里的查找是O(N)，推荐使用set的find

3、注意：使用迭代器删除,迭代器必须有效！

使用示例：

#include<set>  //key

using namespace std;

//set的底层是红黑树，红黑树是一种搜索树，搜索树要比较大小，所以set有一个仿函数的模版参数去比较大小的
//insert+find+erase
void test_set1()
{
	//应用：排序+去重
	//去重原理：一个值已经有了，我们就不插入
	set<int> s;
	//插入数据的时候，不会插入重复数据
	s.insert(3);
	s.insert(2);
	s.insert(4);
	s.insert(5);
	s.insert(1);
	s.insert(2);

	//正向迭代器：默认走的是一个中序遍历
	set<int>::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		//set的迭代器指向的内容不能被修改
		//在源码中iterator其实是const_iterator的别名
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

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

	//删除
	//方式一：迭代器位置,注意迭代器必须有效
	//find找到返回该元素位置的迭代器，找不到返回end
	auto pos = s.find(3);// 使用set的查找：O(logN)
	//auto pos = find(s.begin(), s.end(), 3);// 使用库里的查找，O(N)
	if(pos != s.end())
		s.erase(pos);

	//方式二：直接删，有没有都可以
	s.erase(2);

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

//find与count的区别
void test_set2()
{
	set<int> s;
	s.insert(3);
	s.insert(5);
	s.insert(8);
	s.insert(7);

	//find查找：找到了返回该元素位置的迭代器，找不到返回end
	auto it = s.find(5);
	if (it != s.end())
	{
		cout << "找到了" << endl;
	}
	//count查找：找到了返回1，找不到返回0
	if (s.count(5))
	{
		cout << "找到了" << endl;
	}

}

void test_set3()
{
	std::set<int> myset;
	std::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

	//迭代器区间是左闭右开的，[itlow,itup) 
	//lower_bound是返回迭代器下边界，upper_bound是返回迭代器上边界
	itlow = myset.lower_bound(30);                //  返回 >= val值的第一个迭代器     ^
	itup = myset.upper_bound(60);                 //  返回 > val值的第一个迭代器
	
	cout << *itlow << endl;
	cout << *itup << endl; 

	myset.erase(itlow, itup);                     // 10 20 70 80 90

	for (auto e : myset)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test_set4()
{
	std::set<int> myset;


	for (int i = 1; i <= 5; i++) myset.insert(i * 10);   // myset: 10 20 30 40 50

	//std::pair<std::set<int>::const_iterator, std::set<int>::const_iterator> ret;
	//equal_range获取相等元素的范围，但set不会出现重复的元素，提供这个接口是为了和multiset接口保持一致
	auto ret = myset.equal_range(30);     

	std::cout << *ret.first << '\n';
	std::cout << *ret.second << '\n';

}

1.3 multiset介绍

multiset文档介绍

1. multiset和set的底层实现一样，都是红黑树。但是multiset中的元素可以重复！
2. multiset与set的接口一样，equal_range+count在multiset中更有意义，相当于专门给multiset设计的

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(log2 N)
7. multiset的作用：可以对元素进行排序

1.4 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，可参考set。

//multiset与set的接口一样
//multiset只有equal_range+count+find接口与set接口的功能有一些区别，其他接口功能都一样
//equal_range+count在multiset中更有意义，相当于专门给multiset设计的
void test_multiset1()
{
	//不去重
	multiset<int> s;
	s.insert(3);
	s.insert(5);
	s.insert(8);
	s.insert(7);
	s.insert(7);
	s.insert(9);
	s.insert(7);

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

	//find返回中序的第一个val的迭代器
	auto pos = s.find(7);
	while (pos != s.end())
	{
		cout << *pos << " ";
		++pos;
	}
	cout << endl;

	//count也是在multiset中使用的
	cout << s.count(7) << endl;

	//删除所有的7
	//equal_range获取相等元素的范围
	auto ret = s.equal_range(7);
	auto itlow = ret.first;
	auto itup = ret.second;

	s.erase(itlow, itup);
	for (auto e : s)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

2. map && multimap

2.1 map介绍

map文档介绍

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))。

2.2 map的使用

（1）map的模版类型参数

1. key: 键值对中key的类型
2. T： 键值对中value的类型
3. 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)
4. 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

（2）map的构造

函数声明	功能介绍
map()	构造一个空的map

（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）map的容量和元素访问

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key对应的value

operator[]通过key，返回value的引用。

• key已经在树里面了，返回pair<树里面key所在结点的iterator，false>
• key不在树里面，返回pair<新插入key所在结点的iterator，true>
• 所以insert不仅有插入的作用，还有查找的作用

operator[]的实现是：

• 调用insert插入
• 返回value的引用

mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{
	return (*((this->insert(make_pair(k,mapped_type()))).first)).second;
}

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，返回该默认value，at()函数直接抛异常。

（5）map的修改操作

函数声明	功能介绍
pair<iterator,bool> 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中查找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const限定的map中查找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

1、 insert插入函数的参数类型实际就是pair键值对的别名

2、创建pair键值对，除了可以调用pair的构造函数还可以调用make_pair函数模版，它会返回一个构造的pair

3、insert的返回值也是一个pair键值对，该pair的第一个成员类型是map迭代器，第二个成员类型是bool。具体含义如下：

• 若待插入元素的键值key在map不存在，则insert插入成功，并返回插入元素的迭代器和true
• 若待插入元素的键值key在map存在，则insert插入失败，并返回键值key元素的迭代器和false

4、插入和删除重点关注key

//map
//insert插入的是pair键值对
void test_map1()
{
	map<string, string> dict;

	//有名对象
	pair<string, string> kv1("insert", "插入");
	dict.insert(kv1);

	//匿名对象
	dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));

	//构造一个pair键值对，除了可以使用pair的构造函数，还可以使用make_pair函数
	//make_pair是一个函数模版，会返回一个构造的pair
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));

	//C++11支持多参数的构造函数隐式类型转换，C++98只支持单参数的构造函数隐式类型转换
	dict.insert({ "false", "假" });

}

//iterator迭代器
void test_map2()
{
	map<string, string> dict;

	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	//key已经有了就不插入了
	//不插入，不覆盖；插入过程中，只比较key，value相同无所谓
	dict.insert(make_pair("string", "xxxx"));
	dict.insert(make_pair("insert", "插入"));
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("false", "假"));

	map<string, string>::iterator it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		//key不能被修改
		/*it->first = "xxx";
		it->second = "xxx";*/

		//pair没有支持流插入和流提取
		//想一想为什么之前我们实现搜索二叉树的时候没有使用pair，库里要使用pair？
		//因为迭代器解引用时要返回迭代器的内容，返回不能返回多个值，所以将其定义为pair
		//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (const auto& kv : dict)
	{
		cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
	}
	cout << endl;

	//find，erase，只与key有关，使用与set类似
}

//operator[]
void test_map3()
{

	// 统计水果出现的次数
	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 it = countMap.find(e);
		if (it == countMap.end())
		{
			countMap.insert(make_pair(e, 1));
		}
		else
		{
			it->second++;
		}
	}*/
	for (auto e : arr)
	{
		//通过key，返回value的引用
		// 
		// insert的返回值
		//1.key已经在树里面了，返回返回pair<树里面key所在结点的iterator，false>
		//2.key不在树里面，返回pair<新插入key所在结点的iterator，true>
		//所以insert不仅有插入的作用，还有查找的作用
		// 
		//operator[]的实现是：
		//1.调用insert插入
		//2.返回value的引用

		countMap[e]++;
	}

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

//operator[]
void test_map4()
{
	map<string, string> dict;

	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	//key已经有了就不插入了
	//不插入，不覆盖；插入过程中，只比较key，value相同无所谓
	dict.insert(make_pair("string", "xxxx"));
	dict.insert(make_pair("insert", "插入"));
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("false", "假"));

	//operator[]
	//key存在，查找和读
	cout << dict["sort"] << endl;
	//key不存在，插入(value为缺省值)
	dict["map"];
	//key存在，修改value
	dict["map"] = "映射";
	//key不存在，插入+修改
	dict["set"] = "集合";
}

总结：

1. map中的的元素是pair键值对
2. map中的key是唯一的，并且不能修改，但value可以修改
   
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(logN)
6. 支持[]操作符，operator[]实际进行插入查找

2.3 multimap介绍

multimap文档介绍

1. multimap和map底层实现一样，都是红黑树。但是multimap中可以存在重复的key
2. multimap接口与map基本一致，但没有了operator[]，因为存在相同key

注意：multimap和map最大的不同就是：map中的key是唯一的，而multimap中key是可以重复的

2.4 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
5. find返回中序的第一个key的迭代器

//multimap
//1.可以存在重复的key
//2.接口与map基本一致，但没有了operator[]，因为存在相同key
//3.insert的返回值也不是pair<iterator, bool>，因为插入没有失败
void test_multimap()
{
	multimap<string, string> dict;
	//multimap中的key是可以重复的
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	dict.insert(make_pair("string", "xxxx"));
	dict.insert(make_pair("insert", "插入"));
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	//find返回中序的第一个key的迭代器
	auto pos = dict.find("string");
	if (pos != dict.end())
	{
		cout << pos->first << " " << pos->second << endl;
	}
	cout << endl;
}

set快速判断一个值在不在

map通过一个值找另外一个值