【C++进阶】C++中的map和set

一、关联式容器

在初阶阶段，我们已经接触过STL 中的部分容器，比如： vector 、 list 、 deque， forward_list 等，这些容器统称为序列式容器，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。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> 结构的键值对，在 数据检索时比序列式容器效率更高 。

二、键值对

键值对可这个是一个很重要的数据结构，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 。通俗来说：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，代码如下：

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

首先我们要知道，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。下面一依次介绍每一个容器。想要了解红黑树的可以自行去搜索，或者我以后也会写一篇关于红黑树的文章届时有缘再见。

set

关于set我们要知道：

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： $log_{2}n$

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。

如何使用set：

1. set 的模板参数列表

下面挣这张图片是C++标准委员会给出的，我们来欣赏一下

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

2. set 的构造

3. set的迭代器

4. set的容量

5. set修改操作

set的使用代码（其接口确实太多了，大家要学会触类旁通，我们仅介绍set的最核心部分）：

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;void TestSet()
{// 用数组array中的元素构造setint 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(int));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;
}int main()
{TestSet();return 0;
}

map

map 的介绍

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 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

同set一样我们先来看一下他的接口

1. 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。

2. map 的构造

3. map 的迭代器

4. map 的容量与元素访问

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 。

5. map 中元素的修改

上代码观看一下：

#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;#include <string>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<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*/// 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; // 遍历键值对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 << "<peach, 桃色>不在map中, 已经插入" << endl;elsecout << "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;elsecout << "apple被吃了" << endl;
}int main()
{TestMap();return 0;
}

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。

multiset

multiset的介绍

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O(log2 N)

7. multiset 的作用：可以对元素进行排序

3.3.2 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，大家们可参考 set 。

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;
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multiset<int> s(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 自己会排序 如何呢for (auto& e : s)cout << e << " ";cout << endl;
}int main()
{TestSet();return 0;
}

multimap

multimap 的介绍

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

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， std::multimap 与 std::map 的一个主要区别在于它允许多个元素拥有相同的键。如果 multimap 重载了 operator[] ，那么在存在多个相同键的情况下，此操作符将无法明确地指定应该返回哪一个元素的引用。

4. 使用时与 map 包含的头文件相同

在 OJ 中的使用

692. 前K个高频单词 - 力扣（LeetCode）

题解

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <map>
#include <set>
using namespace std;class Solution {
public:class Compare{public:// 在set中进行排序时的比较规则bool operator() (const pair<string, int>& left, const pair<string, int>& right){return left.second > right.second;}};vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) {// 用<单词，单词出现次数>构建键值对，然后将vector中的单词放进去，// 统计每个单词出现的次数map<string, int> m;for (size_t i = 0; i < words.size(); ++i)++(m[words[i]]);// 将单词按照其出现次数进行排序，出现相同次数的单词集中在一块multiset<pair<string, int>, Compare> ms(m.begin(), m.end());set<string> s;size_t count = 0; // 统计相同次数单词的个数size_t leftCount = k;vector<string> ret;for (auto& e : ms){if (!s.empty()){// 相同次数的单词已经全部放到set中if (count != e.second){if (s.size() < leftCount){ret.insert(ret.end(), s.begin(), s.end());leftCount -= s.size();s.clear();}else{break;}}}count = e.second;s.insert(e.first);}for (auto& e : s){if (0 == leftCount)break;ret.push_back(e);leftCount--;}return ret;}
};