【C++进阶】map和set（万字详解）—— 上篇

旧城等待， 2024-04-20 06:24 69阅读 0赞

> **?C++学习历程：进阶**
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? ? ? ? ?

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#### 目录 ####

*  ? 1. 关联式容器
 *  ? 2. 键值对
 *  ? 3. 树形结构的关联式容器
 *   *  ? 3.1 set
     *   *  ? 3.1.1 set的介绍
         *  ? 3.1.2 set的使用
     *  ?3.2 map
     *   *  ?3.2.1 map的介绍
         *  ?3.2.2 map的使用
     *  ?3.3 multiset
     *   *  ?3.3.1 multiset的介绍
         *  ?3.3.2 multiset的使用
     *  ?3.4 multimap
     *   *  ? 3.4.1 multimap的介绍
         *  ?3.4.2 multimap的使用
     *  ? 3.5 在OJ中的使用
     *   *  ?前K个高频单词
         *  ? 两个数的交集

## ? 1. 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(C++11)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**。

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## ? 2. 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)
    	{
        }
    };

--------------------

## ? 3. 树形结构的关联式容器 ##

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。下面一依次介绍每一个容器。

### ? 3.1 set ###

#### ? 3.1.1 set的介绍 ####

[set的文档介绍][set]

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： l o g 2 n log\_2 n log2n
7.  set中的元素不允许修改(为什么?)
8.  set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

> **关于set元素的不可直接更改 set的元素类型和比较函数(或者函数对象)是可以配置的,但是一旦配置就不能更改。 set的元素类型不可更改是很自然的,这本就是模板的天然含义。 set的比较函数虽然可以得到,但是得到的是copy,不是引用或者指针,所以不能修改(修改比较函数对象的参数)。**

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#### ? 3.1.2 set的使用 ####

1.  set的模板参数列表

![在这里插入图片描述][a5ec4217c4a7494ca9b83ff8cf075710.png]

> **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**

1.  set的构造

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>set (const Compare&amp; comp = Compare(), const Allocator&amp;= Allocator() );</td> 
   <td>构造空的set</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>set (InputIterator first, InputIterator last, const Compare&amp; comp = Compare(), const Allocator&amp; = Allocator() );</td> 
   <td>用[first, last)区间中的元素构造set</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>set ( const set&lt;Key,Compare,Allocator&gt;&amp; x);</td> 
   <td>set的拷贝构造</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  set的迭代器

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>iterator begin()</td> 
   <td>返回set中起始位置元素的迭代器</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>iterator end()</td> 
   <td>返回set中最后一个元素后面的迭代器</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_iterator cbegin() const</td> 
   <td>返回set中起始位置元素的const迭代器</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_iterator cend() const</td> 
   <td>返回set中最后一个元素后面的const迭代器</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>reverse_iterator rbegin()</td> 
   <td>返回set第一个元素的反向迭代器，即end</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>reverse_iterator rend()</td> 
   <td>返回set最后一个元素下一个位置的反向迭代器，即rbegin</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_reverse_iterator crbegin() const</td> 
   <td>返回set第一个元素的反向const迭代器，即cend</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_reverse_iterator crend() const</td> 
   <td>返回set最后一个元素下一个位置的反向const迭代器，即crbegin</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  set的容量

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>bool empty ( ) const</td> 
   <td>检测set是否为空，空返回true，否则返回true</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type size() const</td> 
   <td>返回set中有效元素的个数</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  set修改操作

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>pair&lt;iterator,bool&gt; insert (const value_type&amp; x )</td> 
   <td>在set中插入元素x，实际插入的是&lt;x, x&gt;构成的键值对，如果插入成功，返回&lt;该元素在set中的位置，true&gt;,如果插入失败，说明x在set中已经存在，返回&lt;x在set中的位置，false&gt;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void erase ( iterator position )</td> 
   <td>删除set中position位置上的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type erase ( const key_type&amp; x )</td> 
   <td>删除set中值为x的元素，返回删除的元素的个数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void erase ( iterator first, iterator last )</td> 
   <td>删除set中[first, last)区间中的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void swap ( set&lt;Key,Compare,Allocator&gt;&amp; st );</td> 
   <td>交换set中的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void clear ( )</td> 
   <td>将set中的元素清空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>iterator find ( const key_type&amp; x ) const</td> 
   <td>返回set中值为x的元素的位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type count ( const key_type&amp; x ) const</td> 
   <td>返回set中值为x的元素的个数</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  set的使用举例

int main()
    {
        
    	set<int> s;
    	//插入元素(自动去重）
    	s.insert(1);
    	s.insert(4);
    	s.insert(3);
    	s.insert(3);
    	s.insert(2);
    	s.insert(2);
    	s.insert(3);
    	//遍历容器
    	for (auto e : s)
    	{
        
    		cout << e << " ";
    	}
    	cout << endl;
    	//查找元素
    	set<int>::iterator pos = s.find(3);
    	//删除元素
    	s.erase(pos);// 删除元素3
    	s.erase(4);
    	//容器大小
    	cout << s.size() << endl;
    	//清空容器
    	s.clear();
    	//容器判空
    	cout << s.empty() << endl;
    	//交换两个容器的数据
    	set<int> tmp{
         10, 20, 30, 40 };
    	s.swap(tmp);
    	//容器中值为2的元素个数
    	cout << s.count(2) << endl;
    
    	cout << endl;
    }

--------------------

### ?3.2 map ###

#### ?3.2.1 map的介绍 ####

[map的文档介绍][map]

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))。

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#### ?3.2.2 map的使用 ####

1.  map的模板参数说明

![在这里插入图片描述][953788d66e894921aab10259e47550de.png]

> **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。**

1.  map的构造

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>map()</td> 
   <td>构造一个空的map</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  map的迭代器

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>begin()和end()</td> 
   <td>begin:首元素的位置，end最后一个元素的下一个位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>cbegin()和cend()</td> 
   <td>与begin和end意义相同，但cbegin和cend所指向的元素不能修改</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>rbegin()和rend()</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>crbegin()和crend()</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  map的容量与元素访问

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能简介</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>bool empty ( ) const</td> 
   <td>检测map中的元素是否为空，是返回true，否则返回false</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type size() const</td> 
   <td>返回map中有效元素的个数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>mapped_type&amp; operator[] (const key_type&amp; k)</td> 
   <td>返回去key对应的value</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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？

![在这里插入图片描述][e8dbd53281964e678ecf644ab16c6c04.png]

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。**

1.  map中元素的修改

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能简介</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>pair&lt;iterator,bool&gt; insert ( const value_type&amp; x )</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void erase ( iterator position )</td> 
   <td>删除position位置上的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type erase ( const key_type&amp; x )</td> 
   <td>删除键值为x的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void erase ( iterator first,iterator last )</td> 
   <td>删除[first, last)区间中的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void swap (map&lt;Key,T,Compare,Allocator&gt;&amp; mp )</td> 
   <td>交换两个map中的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void clear ( )</td> 
   <td>将map中的元素清空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>iterator find ( const key_type&amp; x)</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_iterator find ( const key_type&amp; x ) const</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type count ( const key_type&amp; x ) const</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  map的使用举例

#include <string>
    #include <map>
    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;
    	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;
    	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(log2N)
6.  支持\[\]操作符，operator\[\]中实际进行插入查找。

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### ?3.3 multiset ###

#### ?3.3.1 multiset的介绍 ####

[multiset的文档介绍][multiset]

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 ( l o g 2 N ) O(log\_2 N) O(log2N)
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，可参考set。

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

![在这里插入图片描述][e861bc17056d4b2f889ee8ad8a1f8931.png_pic_center]

--------------------

### ?3.4 multimap ###

#### ? 3.4.1 multimap的介绍 ####

[multimap文档介绍][multimap]

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;

1.  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。
2.  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。
3.  multimap在底层用二叉搜索树(红黑树)来实现。

#### ?3.4.2 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(同学们可思考下为什么?)。
4.  使用时与map包含的头文件相同：

### ? 3.5 在OJ中的使用 ###

#### ?前K个高频单词 ####

[前K个高频单词][K]

![请添加图片描述][61259616176a4ea9b2e7c76f0f27eec0.png]

*  解题思路

![请添加图片描述][dfa0856876c44af0bd845a8b5dcb0213.png]

*  代码演示

class Solution {
        
    public:
        vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) {
        
            //统计次数
            map<string,int> CountMap;
            for(auto& e : words)
                CountMap[e]++;
            //排序
            multimap<int,string,greater<int>> sortMap;
            for(auto &kv : CountMap)
                sortMap.insert(make_pair(kv.second,kv.first));
    
            vector<string> v;
            multimap<int,string,greater<int>> :: iterator it = sortMap.begin();
            for(size_t i = 0;i < k;i++)
            {
        
                v.push_back(it -> second);
                ++it;
            }
            return v;
        }
    };

--------------------

#### ? 两个数的交集 ####

[两个数的交集][Link 2]

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*  解题思路

创建两个指针，相等就是子集，不等就小的++。

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*  代码演示

class Solution {
        
    public:
        vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {
        
            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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[Link 1]: https://blog.csdn.net/m0_60338933?type=blog
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[set]: https://cplusplus.com/reference/set/set/?kw=set
[a5ec4217c4a7494ca9b83ff8cf075710.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/20/f0b6c4f99220498caaa7b9501bf7e4a1.png
[map]: https://cplusplus.com/reference/map/map/?kw=map
[953788d66e894921aab10259e47550de.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/20/bd3fc302395c4fe7a54890c4f0ba332f.png
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[multiset]: https://cplusplus.com/reference/set/multiset/?kw=multiset
[e861bc17056d4b2f889ee8ad8a1f8931.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/20/925b7582a621426dba23e0d87983fd88.png
[multimap]: https://cplusplus.com/reference/map/multimap/?kw=multimap
[K]: https://leetcode.cn/problems/top-k-frequent-words/description/
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[Link 2]: https://leetcode.cn/problems/intersection-of-two-arrays/description/
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