STL--map、set详解

map、set

• 1. 前言
• • 1.1 容器的分类
  • 1.2 键值对
  • 1.3 树形结构的关联式容器
• 2. set
• • 2.1 set的介绍
  • 2.2 set的使用
• 3. map
• • 3.1 map的介绍
  • 3.2 map的使用
• 4. multiset、multimap
• • 4.1 multiset介绍
  • 4.2 multiset的使用
  • 4.3 multimap介绍
  • 4.4 multimap的使用
  • 4.5 总结
• 5 结语

1. 前言

1.1 容器的分类

• 序列式容器：按元素的插入顺序存储数据，支持顺序访问。每个元素在容器中的位置与其插入顺序相关。
• 关联式容器：按键值对存储数据，通常根据键的值进行排序（在有序关联容器中）或哈希（在无序关联容器中）。这些容器提供基于键的快速查找。

关联式容器也是用来存储数据的，与序列式容器不同的是，其里面存储的是结构的键值对，在数据检索时比序列式容器效率更高
map和set就是关联式容器

1.2 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)
{}
};

1.3 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：树型结构与哈希结构。树型结构（有序）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

2.1 set的介绍

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，set中只放value，但在底层实际存放的是由构成的键值对。也就意味着set的每个节点都存储了两个相同的值，对空间有一定的浪费。
2. set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。（封装的好处，不需要用户明白底层的运转）
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： l o g 2 n log_2 n log2​n
7. set中的元素不允许修改(可以思考一下为什么)
8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现

2.2 set的使用

使用文档
set可以翻译为集合
set满足集合的唯一性

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

2. 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, constCompare& comp = Compare(), const Allocator& =Allocator() );	用[first, last)区间中的元素构造set（迭代器区间构造）
set ( const set& x);	set的拷贝构造

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

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

5. set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
void erase ( iterator position )	删除set中position位置上的元素
size_type erase ( constkey_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&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 ( constkey_type& x ) const	返回set中值为x的元素的个数

这里insert为什么要返回pair 类型的值呢？
这样设计是为了和map的insert接口统一，旨在提供一致的接口和使用体验。（用户不用分别记忆两个接口）

6. set的使用举例

#include 
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 };
	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. map

使用文档

3.1 map的介绍

map与set的差别在于，map底层存的是pair，以key作为键值构建红黑树，value与key对应起来。
它们在接口上也有些差别，接下来我们来一起康康~

3.2 map的使用

1. map的模板参数说明

2. map的构造、迭代器、容量接口于set类似

3. map的元素访问

函数声明	功能介绍
mapped_type& operator[] (constkey_type& k)	返回去key对应的value

问题：当key不在map中时，通过operator获取对应value时会发生什么问题？

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。

4. 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& 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

我们来探讨一下为什么map的insert返回值要设置为pair
我们能够想到：

1. 返回值可以值设置为iterator,插入成功；则返回插入元素的迭代器，插入失败，说明key值已经存在，则返回已存在的元素的迭代器
2. 返回值可以设置为bool类型，插入成功返回true，插入失败返回false

在使用中，我们其实比较关心插入是否成功，而不是直接访问插入的元素。
那为什么要将两个都返回呢？
这个妙处在于operator[]的实现~

mapped_type& operator[](const key_type& k) {
    auto result = this->insert(std::make_pair(k, mapped_type())); 
    // 插入一个新的键值对，值初始化为默认构造
    return result.first->second; // 返回对值的引用
}

观察出这样设计的妙处了没，由于insert返回的是pair，可以直接获取到插入元素的迭代器，从而返回key值对应的value
如果insert只返回bool，那么就需要两步了，先insert，再find

set为了和map的接口一致，所以set的insert也是返回的pair

#include 
#include 
void TestMap()
{
	map<string, string> m;
	// 向map中插入元素的方式：
	// 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用pair直接来构造键值对
	m.insert(pair<string, string>("peach", "桃子"));
	// 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
	m.insert(make_pair("banan", "香蕉"));
	// 借用operator[]向map中插入元素
	/*
	operator[]的原理是：
	用构造一个键值对，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
	*/
	// 将<"apple", "">插入map中，插入成功，返回value的引用，将“苹果”赋值给该引
	用结果，
	m["apple"] = "苹果";
	// key不存在时抛异常
	//m.at("waterme") = "水蜜桃";
	cout << m.size() << endl;
	// 用迭代器去遍历map中的元素，可以得到一个按照key排序的序列
	for (auto& e : m)
	cout << e.first << "--->" << e.second << endl;
	cout << endl;
	// map中的键值对key一定是唯一的，如果key存在将插入失败
	auto ret = m.insert(make_pair("peach", "桃色"));
	if (ret.second)
	cout << "不在map中, 已经插入" << endl;
	else
	cout << "键值为peach的元素已经存在：" << ret.first->first << "--->"
	<< ret.first->second <<" 插入失败"<< endl;
	// 删除key为"apple"的元素
	m.erase("apple");
	if (1 == m.count("apple"))
	cout << "apple还在" << endl;
	else
	cout << "apple被吃了" << endl;
}

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 O ( l o g 2 N ) O(log_2 N) O(log2​N)
6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

4. multiset、multimap

这两个容器可以看出set和map的扩展，弄懂map和set后，就能很快上手
不过要注意，它们在接口上会有一些小差别，接下来我会为您介绍~

4.1 multiset介绍

multiset使用文档
multiset与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的
底层是在红黑树中，将相同的值插入到右子树中，以达到存储多个相同的值。

4.2 multiset的使用

函数声明	功能介绍
size_type count (const value_type& val) const;	返回value为val的键值在multiset中的个数

#include 
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的键值对
multiset<int> s(array, array + sizeof(array)/sizeof(array[0]));
for (auto& e : s)
cout << e << " ";
cout << endl;
return 0;
}

4.3 multimap介绍

multimap使用文档
multimap与map的区别是，multimap中的key值可以重复，map是中key是唯一的

4.4 multimap的使用

multimap不支持operator[]：因为允许多个key值，operator[]是通过key去找到对应的value的，当有多个key值后就无法找到了。

函数声明	功能介绍
size_type count ( const key_type& k ) const	返回key为k的键值在multimap中的个数

4.5 总结

1. 与set、map的主要差别是可以允许相同的key值
2. 使用时与map、set包含的头文件相同
3. multiset和multimap的count成员函数的作用变大了，因为都允许存储相同值，所以可以用count来返回对应个数

5 结语

map和set是STL容器中非常重要的部分，对其底层的理解也是十分重要的，关于其底层红黑树的知识，我会专门整理成文章，以供学习。