文章详细介绍了C++STL中的关联式容器，包括set、multiset、map和multimap的基本概念、特点、使用方法以及底层实现。set和multiset是无重复元素的集合，而map和multimap是键值对的集合，其中map的键是唯一的。所有这些容器都基于红黑树，提供高效的数据检索。此外，文章还提到了在在线判题（OJ）中如何应用这些容器解决问题，如找出前k个高频单词和两数组的交集。
目录
1.一些概念的理解
🍉关联式容器和序列式容器
在STL学习中，我们接触过STL中的部分容器，比如：vector、list、deque、等等，这些容器统称为序列式容器，因为其底层为线性数据结构，里面存储的是元素本身。
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。
🍉key模型、key/value模型
key模型
如门禁系统、车壳系统、检测一篇文章中单词拼写是否正确等等
key模型主要是用于对单一元素进行查找比较用的
key/value模型（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：
用 pair 来命名的结构体
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)
{}
};🍉树形结构关联式容器
根据应用场景的不桶，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。
2.set的介绍
🍉set文档
翻译：
- 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)。
（因为set本身是有序的，可以做到去重加排序） - 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（小的在前，大的在后）
- 6. set中查找某个元素，时间复杂度为：
- 7. set中的元素不允许修改（因为修改元素后不能保证元素的有序）
- 8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。
🍉set的使用
🍒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
🍒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 |
代码示例如下：
#include<iostream>
#include<set>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> v = { 3,8,3,5,7,1,1,2,1 };
//构建空的set，s1
set<int> s1;
//用区间构建set
set<int> s2(v.begin(), v.end());
//set的拷贝构造
set<int> s3(s2);
//范围for打印
for (auto e : s2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
for (auto e : s3)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}得到结果：
可以看到打印结果是：排序+去重
注意：对于set来说，里面的元素是不能修改的
因为set的底层是搜索树，随意修改会失去搜索树的意义
🍒set的迭代器
解释如下：
| 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 |
| 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 |
迭代器的使用方法和之前的容器使用都差不多相同，这里就不多介绍了
🍒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 |
max_size 返回的是set的最大容量，用的很少
代码示例如下：
int main()
{
vector<int> v = { 3,8,3,5,7,1,1,2,1 };
//用区间构建set
set<int> s2(v.begin(), v.end());
//范围for打印
for (auto e : s2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << s2.empty() << endl;
cout << s2.size() << endl;
return 0;
}
🍒set的修改操作
| 函数声明 | 功能介绍 |
| pair 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， |
| 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（由于set里面没有重复变量，所以count就是看这个值在不在） |
代码示例：
#include <set>
void TestSet()
{
// 用数组array中的元素构造set
int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 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是否存在
cout << s.count(3) << endl;
}3.multiset介绍
🍉set文档
multiset和set基本一致，只是multiset可以插入重复的元素
翻译：
- 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
- 7. multiset的作用：可以对元素进行排序
🍉multiset的使用
和set的使用方法基本一致，可以参考set的使用来学习
🍒构造列表
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
🍒各类函数接口：
下面只展示一部分接口，更多接口可以查看文档
🍒multiset 和 set 的区别
根据set的内容学习，我们可以直到set是可以去重和排序的
multiset只是利用搜索二叉树完成排序，不会进行去重
如下代码演示：
void test1()
{
vector<int> v = { 3,8,3,5,7,1,1,2,1 };
set<int> s(v.begin(), v.end());
multiset<int> ms(v.begin(), v.end());
//范围for打印
for (auto e : s)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
for (auto e : ms)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
还要注意一点，就是函数count（）的区别
对于set来说，count仅仅是查看这个数在不在搜素二叉树里面，这时因为set里面只能存放不重复的树，有就只能是1，
而对于 multiset 来说，他可以存放重复的数，所以此时count（）返回的是总个数
如下：
4.map的介绍
🍉map文档
翻译：
- 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))。
🍉map的使用
学习map之前我们再来回顾一下上面提到的 结构pair
🍒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#include<map>
🍒map构造
| 函数声明 | 功能介绍 |
| map() | 构造一个空的map |
🍒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 |
🍒map的容量与元素访问
主要介绍3个：
| 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 |
🍒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 |
map的大多数使用方法和set差不多，下面我们说一些不要重要的部分：
🦁map的插入方法
#include<map>
int main()
{
// 构造map对象dict，底层容器为string
map<string, string> dict;
// 插入方式1：利用piar的结构体，使用其匿名对象进行插入
dict.insert(pair<string, string>("stick", "栈"));
// 插入方式2：利用make_pair进行插入（一般都用这个）
dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
dict.insert(make_pair("count", "计数"));
return 0;
}里面提到的 make_pair 如下：是一个模板函数会自动识别传来的参数将其转化为pair的匿名对象
🦁map里面数据的打印
//map<string, string>::iterator dit = dict.begin();
auto dit = dict.begin();
while (dit != dict.end())
{
// 方法一：用指针解引用去访问
cout << (*dit).first << ":" << (*dit).second << endl;
++dit;
}
cout << endl;
auto dit = dict.begin();
while (dit != dict.end())
{
// 方法二：直接用箭头指向（本来应该要有两个箭头，这里会省略一个，使其更简洁）
cout << dit->first << ":" << dit->second << endl;
++dit;
}
cout << endl;🦁map的覆盖问题
#include<map>
int main()
{
// 构造map对象dict，底层容器为string
map<string, string> dict;
dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
dict.insert(make_pair("count", "计数"));
// 我们再插入一个string类型，value值设为不同
dict.insert(make_pair("string", "**字符串"));
}提问：此时我们的 map 里面应该存的是哪一个value呢？
我们打印来看看：
可以看到结果是插入失败
🦁map中operator[ ] 的应用
我们用map来统计一下水果出现的次数
代码如下：
int main()
{
string arr[] = { "西瓜", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果",
"苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉", "梨" };
// 统计水果出现的次数
map<string, int> countMap;
for (auto& e : arr)
{
auto ret = countMap.find(e);
// ret == countMap.end()说明没找到，水果第一次出现
if (ret == countMap.end())
{
// 第一次出现，插入value，让其等于1
countMap.insert(make_pair(e, 1));
}
else
{
// 找到了，就对value++
ret->second++;
}
}
// 打印
for (auto& kv : countMap)
{
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
return 0;
}
我们在记录出现水果次数时，上面那样写代码还是比较繁琐，我们可以直接容operator[ ]来解决：
代码如下：
void test4()
{
string arr[] = { "西瓜", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果",
"苹果", "西瓜", "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉", "梨" };
map<string, int> countMap;
// 统计
for (auto& e : arr)
{
countMap[e]++;
}
// 打印
for (auto& kv : countMap)
{
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
}
map最值得我们学习的就是这里的operator[ ]
当然，operator[ ] 在插入时也可以用，示例如下：
int main()
{
map<string, string> dict;
dict.insert(pair<string, string>("stick", "栈"));
dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
dict.insert(make_pair("count", "计数"));
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
return 0;
}
🦁map中operator[ ] 的原理
V& operator[](const K& key)
{
pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
return ret.first->second;
} 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
🍉map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
- 6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找
5.multimap的介绍
🍉multimap的文档介绍：
翻译：
- 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
🍉multimap的使用
参考map的使用方法就行，更能都是类似的
需要注意的是：
- 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
#include<map>
int main()
{
multimap<string, string> dict;
dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
dict.insert(make_pair("count", "计数"));
// 重复插入一个string
dict.insert(make_pair("string", "**字符串"));
auto dit = dict.begin();
while (dit != dict.end())
{
cout << dit->first << ":" << dit->second << endl;
++dit;
}
cout << endl;
return 0;
}
可以看到 multimap 是允许 键值冗余 的
value值相同也是允许的
6.在OJ中的使用
🍉前k个高频单词
思路：
我们要注意，题目要求 i 必须在 love 之前，这就需要我们排序时需要保证其稳定性
做这道题的时候，我们可以首先将其利用map来统计次数，然后将其放到vector里面，
之后再用一个稳定排序算法对其进行排序，选出前k个最大的，
在这些算法中，我们常用的 sort() 函数，其底层原理是快排，是不稳定的
我们可以用到库里面提供的一个稳定排序：stable_sort()，其底层是归并排序
具体步骤可以看下面代码的注释：
class Solution {
public:
struct Compare
{
bool operator()(const pair<string, int>& kv1, const pair<string, int>& kv2)
{
return kv1.second > kv2.second;
}
};
vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k)
{
map<string, int> countMap;
// 统计次数
for(auto& str : words)
{
countMap[str]++;
}
//由于map是一个双向迭代器，sort需要随机迭代器，
//所以我们需要将统计好的数，放到vector里面进行排序
vector<pair<string, int>> v(countMap.begin(), countMap.end());
//这里的sort是按pair去比的，
//pair里面的比较大小不适合我们这道题（可以去看文档说明）
//这里我们需要的是按second，这时我们就需要用到之前写的仿函数了
stable_sort(v.begin(), v.end(), Compare());
//取前k个数的first存到vv里面
vector<string> vv;
for(int i = 0; i < k; ++i)
{
vv.push_back(v[i].first);
}
return vv;
}
};当然我们除了用stable_sort来使排序稳定，也可以再仿函数里面进行操作使其稳定，如下：
//我们就用sort只是需要再仿函数里面加上一个first的比较
struct Compare
{
bool operator()(const pair<string, int>& kv1, const pair<string, int>& kv2)
{
return kv1.second > kv2.second || (kv1.second == kv2.second && kv1.first < kv2.first);
}
};思路2：
我们可不可以不用sort进行排序呢？
这里我们可以采用multiset进行排序，并利用仿函数达到我们想要的排序效果
class Solution {
public:
//sort仿函数和multiset的仿函数逻辑一样
struct Compare
{
bool operator()(const pair<string, int>& kv1, const pair<string, int>& kv2) const
{
return kv1.second > kv2.second || (kv1.second == kv2.second && kv1.first < kv2.first);
}
};
vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k)
{
map<string, int> countMap;
// 统计次数
for(auto& str : words)
{
countMap[str]++;
}
//这里不要用map，因为map是去重加排序，也不能用multimap，multimap只会对key进行排序
//我们这里采用multiset来对pair的first和second进行仿函数的比较操作
multiset<pair<string, int>, Compare> sortSet(countMap.begin(), countMap.end());
//取前k个放到arr里面
vector<string> arr;
auto it = sortSet.begin();
while(k--)
{
arr.push_back(it->first);
it++;
}
return arr;
}
};🍉两个数组的交集
首先要做的是排序+去重
去重操作，我们的算法库里面也给出了：unique去重算法
此时我们可以用sort + unique解决，也可以用我们学的set来解决
当然，我们的算法库也有求交集和差集的算法：
set_intersection找交集 set_difference找差集 set_union找并集
我们在这里就不去调这些算法来解了，我们自己来写
代码如下：
class Solution {
public:
vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {
// 排序+去重
// sort(nums1.begin(), nums1.end());
// unique(nums1.begin(), nums1.end());
set<int> s1(nums1.begin(), nums1.end());
set<int> s2(nums2.begin(), nums2.end());
auto it1 =s1.begin();
auto it2 =s2.begin();
vector<int> v;
while(it1 != s1.end() && it2 != s2.end())
{
if(*it1 < *it2)
{
++it1;
}
else if(*it2 < *it1)
{
++it2;
}
else
{
v.push_back(*it1);
++it1;
++it2;
}
}
return v;
}
};
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