【C++】树形关联式容器set、multiset、map和multimap的介绍与使用

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前言

1.关联式容器

2.键值对

3.树形结构的关联式容器

3.1set

3.1.1set的特性

3.1.2set的构造

3.1.3set的使用

3.1.4set的使用示例

3.2multiset

3.3map

3.3.1map的特性

3.3.2map的构造

3.3.3map的使用

有关insert

有关[]运算符

3.4multimap

前言

本篇文章博主会与大家共同探索STL库中的set与map，其中涉及set与map的使用与一些特性的讲解介绍。

欢迎大家📂收藏📂以便未来做题时可以快速找到思路，巧妙的方法可以事半功倍。

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1.关联式容器

前面学习的vector、list、deque等容器统称为『序列式容器』，插入方式一般为『 push』。

因为他们的底层均为线性序列的结构，且存储的均为元素本身，并没有什么特殊含义。

而今天所学习的map、set、multimap、multiset等都为『关联式容器』，插入方式一般为『 insert』。

他们的区别在与『关联式容器』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。

2.键值对

『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代表与键值key对应的信息。

我们来观察下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)
	{}
};

很容易的我们看到在STL中『键值对』就是pair这种结构。

pair的first代表的就是key，second代表的就是value。

注：我们可以采用make_pair()来构建『键值对』。

那在实际的应用中我们有不同的方法来构建pair，这个我们后面在谈，这里先简单介绍一下。

3.树形结构的关联式容器

在STL中有两种不同结构的关联式容器。

关联式容器	容器结构	底层实现	特点
set、map、multiset、multimap	树型	平衡搜索树（红黑树）	有序
unordered_set、unordered_map、unordered_multiset、unordered_multimap	哈希	哈希表	无序

这里我们只谈树形结构。

可以看到树形结构的关联式容器都采用『平衡搜索树（红黑树）』作为底层实现方式。

其中multiset和multimap允许键值冗余，即允许不同value对应的key值重复。

3.1set

3.1.1set的特性

set是按照一定次序存储元素的容器，使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列。
在set中，元素的value也标识它(value就是key，类型为T)，所以set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对，并且每个value必须是唯一的，所以set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)。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。
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，当不传入内部比较对象时，set中的元素默认按照小于来比较。
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。
set在底层是用二叉搜索树(红黑树)实现的，所以查找的时间复杂度为logN。

注意：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。

3.1.2set的构造

（1）构造

set<int> s1;

（2）拷贝构造。

set<int> s2(s1);

（3）迭代器区间构造。

set<char> s3(s2.begin(), s2.end());

（4）采用大于的排序准则进行排序，默认为less小于即升序。

set<int, greater<int>> s4;

3.1.3set的使用

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
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
迭代器等	...

3.1.4set的使用示例

#include <set>
void TestSet()
{
	// 用数组array中的元素构造set
	int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4,
	6, 8, 0 };
	// 迭代器区间构造
	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的元素出现了几次
	cout << s.count(3) << endl;
}

3.2multiset

multiset容器和set容器所提供的成员函数的接口基本都是一致的，multiset容器和set容器的唯一区别就是，multiset允许『键值冗余』，即multiset容器存储的元素是可以重复的。

比如：

#include <set>
void TestSet()
{
	int array[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 7 };
	// 注意：multiset在底层实际存储的是<int, int>的键值对
    // 迭代器区间构造
	multiset<int> s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto& e : s)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	return 0;
}

由于multiset允许『键值冗余』，所以成员函数find和count的返回值有所不同。

find函数：返回底层搜索树中序的第一个值为val的元素的迭代器
count函数：返回值为val的元素个数

3.3map

3.3.1map的特性

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。
在map中，键值key通常用于排序和唯一地标识元素，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;
map容器中元素的键值key不能被修改，但是元素的值value可以被修改，因为map底层的二叉搜索树是根据每个元素的键值key进行构建的，而不是值value。
在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的，默认小于。
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)。
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。
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))。

3.3.2map的构造

（1）构造

map<int, double> m1;

（2）拷贝构造。

map<int, double> m2(m1);

（3）迭代器区间构造。

map<int, double> m3(m2.begin(), m2.end());

（4）采用大于的排序准则进行排序，默认为less小于即升序。

map<int, double, greater<int>> m4;

3.3.3map的使用

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
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k对应的value，且可对value进行修改
迭代器等	...

有关insert

我们知道，map的value_type是pair，所以在插入时我们需要构造出一个pair来，所以这里有三种方式构造pair：匿名对象、make_pair和C++11的{}构造。

（1）匿名对象

int main()
{
	map<int, string> m;
	//方式一：构造匿名对象
	m.insert(pair<int, string>(1, "one"));
	return 0;
}

（2）make_pair

库给我们提供了一个构造pair的函数：

template <class T1, class T2>
pair<T1, T2> make_pair(T1 x, T2 y)
{
	return (pair<T1, T2>(x, y));
}

所以：

int main()
{
	map<int, string> m;
	//方式一：构造匿名对象
	m.insert(pair<int, string>(1, "one"));
	//方式二：make_pair
	m.insert(make_pair(2, "two"));
	return 0;
}

（3）C++11 {}构造

C++11引入了『多参数隐式类型转换』，所以我们可以利用{}进行构造：

int main()
{
	map<int, string> m;
	//方式一：构造匿名对象
	m.insert(pair<int, string>(1, "one"));
	//方式二：make_pair
	m.insert(make_pair(2, "two"));
	//方式三：{}构造
	m.insert( { 3, "three" } );
	return 0;
}

推荐第二或第三种。

insert函数的『返回值』也是一个pair对象，该pair对象中第一个成员的类型是map的迭代器类型，第二个成员的类型的一个bool类型，具体含义如下：

若待插入元素的键值key在map当中不存在，则insert函数插入成功，并返回插入后元素的迭代器和true。
若待插入元素的键值key在map当中已经存在，则insert函数插入失败，并返回map当中键值为key的元素的迭代器和false。

有关[]运算符

我们直接看STL库中的说法：

意思是调用[]操作符相当于进行下面的操作：

(*((this->insert(make_pair(k,mapped_type()))).first)).second

我们从内向外进行分析：

首先调用了insert函数，插入的是键值k和mapped_type默认值组成的键值对，而insert的返回值是键值对pair<iterator,bool>，.first取到这个迭代器，解引用拿到该迭代器指向的map中的元素，.second取到value值。

简单模拟重载下[]：

V& operator[](const K& key)
{
    pair<iterator,bool> ret = insert(make_pair(key,V()));
    return ret.first->second;
}

重点是什么呢，就是一旦你调用这个[]操作符，那么就被插入了，所以我们可以利用[]完成插入操作。

所以对于map来说，[]操作符可以实现很多功能：

3.4multimap

multimap容器和map容器所提供的成员函数的接口基本都是一致的，multimap容器和map容器的唯一区别就是，multimap允许『键值冗余』，即multimap容器存储的元素是可以重复的。

注意：multimap由于『键值冗余』，如果不同的value对应的key值相同的情况下，返回value会产生歧义，所以未重载[]操作符。

由于multimap允许『键值冗余』，所以成员函数find和count的返回值有所不同。

find函数：返回底层搜索树中序的第一个值为key的元素的迭代器
count函数：返回值为key的元素个数

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