C++map和set类(简介)

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(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(单纯的用来存储数据, 且数据可以存在容器的任意位置, 数据之间没有关联)。那什么是关联式容器呢?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

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，即通过该英文单词，在词典中就可以找到与其对应的中文含义。
例如：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){}
};

三、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。下面依次介绍每一个容器。

3.1 set类的简介

C++官网set类文档：set类

(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被修改(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: O(log₂n)。
7.set中的元素不允许修改(为什么?)
8.set类的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

3.2 set的接口

3.2.1 set的模版参数列表

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中的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

3.2.2 set的构造

Construct set:

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

3.2.3 set的迭代器

Iterators:

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

3.2.4 set的容量

Capacity:

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

3.2.5 set的修改操作

Modifiers:

函数声明	功能介绍
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>
iterator insert(iterator position, const value_type& val);	在set中插入一个元素val，并返回一个迭代器，该迭代器指向新插入的元素 或 在集合中已经具有相同值的元素。
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

3.3 set的使用案例

(1) set类的简单增删查操作：

#include<iostream>
#include<set>
using namespace std;void test_set1()
{set<int> s;s.insert(5);s.insert(1);s.insert(3);pair<set<int>::iterator,bool> ret1 = s.insert(4);cout << ret1.second << endl;s.insert(2);pair<set<int>::iterator, bool> ret2 = s.insert(5);cout << ret2.second << endl;s.insert(6);set<int>::iterator it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;s.erase(2);for (auto e : s){cout << e << " ";}cout << endl;it = s.find(4);if (it != s.end()){s.erase(4);}for (auto e : s){cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{test_set1();return 0;
}

程序运行结果：

注意：insert的返回类型是一个键值对pair<iterator, bool>，所以如果插入成功则pair的second就为true；而且set不能插入重复的值，所以插入失败时second就为false。
(2) lower_bound和upper_bound的使用

void test_set2()
{set<int> myset;set<int>::iterator itlow, itup;for (int i = 1; i < 10; i++){myset.insert(i * 10);}itlow = myset.lower_bound(30); //lower_bound返回指向第一个大于等于(>=)给定键值的元素的迭代器itup = myset.upper_bound(60);  //upper_bound返回指向第一个大于(>)给定键值的元素的迭代器myset.erase(itlow, itup);  //执行以后的结果:10 20 70 80 90 即删除[itlow,itup)区间里的元素for (auto e : myset){cout << e << " ";}cout << endl;
}
int main()
{test_set2();return 0;
}

程序运行结果：

(3) equal_range和count接口

void test_set3()
{set<int> myset;for (int i = 1; i < 5; i++){myset.insert(i * 10);}pair<set<int>::const_iterator, set<int>::const_iterator> ret = myset.equal_range(30);cout << *ret.first << endl;  //指向第一个>=给定值的元素(即lower_bound的结果)cout << *ret.second << endl; //指向第一个>给定值的元素(即upper_bound的结果)myset.erase(30);//count是用来确定指定元素在集合中是否存在//count返回值类型为size_t//count返回值的含义是:返回集合中与给定键值相等的元素数量(即1或者0)if (myset.count(30))  {cout << "30在" << endl;}else{cout << "30不在" << endl;}
}
int main()
{test_set3();return 0;
}

程序运行结果：

所以set类的作用归结下来就是： 🍆排序+去重 🍆；而且set是不支持修改的。但是在multiset类里就支持插入重复的元素。

3.4 multiset类的介绍

c++官网multiset类文档：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在底层中存储的是<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。

3.5 multiset的使用案例

此处只简单演示set与multiset的不同，其他接口与set相同，感兴趣的小伙伴可自行参考set类的介绍。

void test_set4()
{multiset<int> s;s.insert(5);s.insert(1);s.insert(3);s.insert(2);s.insert(4);s.insert(2);s.insert(5);s.insert(2);s.insert(1);s.insert(6);multiset<int>::iterator it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//equal_range在set中的意义不大,但在multiset中的作用就比较明显auto ret = s.equal_range(2);//删除[ret.first,ret.second)区间中的元素，即删除所有的2s.erase(ret.first, ret.second); for (auto e : s){cout << e << " ";}cout << endl;cout << s.count(1) << endl; //这里count用来确定二叉树中1的个数//erase删除的是二叉树中所有的5,返回值是5的个数size_t n = s.erase(5); cout << n << endl;for (auto e : s){cout << e << " ";}cout << endl;
}int main()
{test_set4();return 0;
}

程序运行结果：

与set类相比，multiset类中的equal_range、erase和count接口的作用就比较直观明显了。

3.6 map类的简介

c++官网map类文档：map
(1) map是关联式容器，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;
(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))。

3.7 map的接口

3.7.1 map的模版参数说明

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。

3.7.2 map的构造

函数声明	功能介绍
map()	构造一个空的map

3.7.3 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

3.7.4 map的容量与元素访问

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)	返回与key对应的value

问题: 当key不在map中时，通过operator[ ]获取对应value时会发生什么问题呢? 下面是官网给出的operator[ ]解释：

🍎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到map中，返回该默认value，at()函数直接抛异常。

3.7.5 map中元素的修改

函数声明	功能介绍
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代表是否插入成功
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

3.8 map的使用案例

(1) map的元素插入是用pair进行插入的！通常使用函数模版make_pair进行map的元素插入：

void test_map1()
{map<string, string> dict;//用pair类模板的匿名对象插入dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));dict.insert(pair<const char*, const char*>("tree", "树"));//用make_pair进行插入dict.insert(make_pair("left", "左边"));string s1("right"), s2("右边");dict.insert(make_pair(s1, s2));map<string, string>::iterator it = dict.begin();while (it != dict.end()){cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;cout << it->first << ":" << it->second << endl;++it;}cout << endl;for (auto& kv : dict){//kv.first += "x"; //map的key不支持修改kv.second += "y";  //map的value支持修改cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}
}
int main()
{test_map1();return 0;
}

程序运行结果：

💡make_pair是一个函数模版，其声明如下：

(2) 统计水果出现的次数：主要使用的就是operator[ ]操作符重载，后面也会重点学习：

void test_map2()
{string arr[] = { "西瓜","苹果","香蕉","西瓜","西瓜","苹果","香蕉","苹果","香蕉","香蕉","苹果","苹果" };map<string, int> countMap;for (auto& str : arr){//auto it = countMap.find(str);//if (it == countMap.end())//{//	//树中没有,说明第一次出现//	countMap.insert(make_pair(str, 1));//}//else//{//	//树中有,则++value(统计次数)//	it->second++;//}countMap[str]++;}for (auto& kv : countMap){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}
}

程序运行结果：

在map中operator[ ]用来返回key对应的value的引用。它具有插入修改查找的功能：

void test_map3()
{map<string, string> dict;dict.insert(make_pair("left", "左边"));dict.insert(make_pair("right", "右边"));dict["erase"]; //插入dict["erase"] = "删除"; //修改cout << dict["erase"] << endl; //查找dict["test"] = "测试"; //插入+修改dict["right"] = "右边,权利"; //修改
}

程序运行结果：

🔥🔥可以通过官网简单了解一下map的operator[ ]的实现：

后面在实现map时，会重点讲解operator[ ]的实现。

3.9 multimap类的介绍

c++官网multimap类文档：multimap
🍓multimap和map的唯一不同就是: map中的key是唯一的，而multimap中的key是可以重复的。

(1) multimap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排序和唯一地标识元素，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。

multimap中的接口可以参考map的，功能都是类似的，这里就不再展开讲解multimap的使用案例了。感兴趣的同学可以参考multimap的官网进行了解。
🍋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(思考一下为什么?)
4. 使用时与map包含的头文件相同

上述map和set类的接口使用的代码仓库：Map_Set

四、关联式容器在OJ中的使用

4.1 前K个高频单词

题目链接：Top-KFrequentWords




这道题要用到map容器，因为要统计单词出现的次数，所以要用到key_value模型的容器。其次是要返回前K个出现次数最多的单词，这里有点像Top_K问题，但是这里Top_K模型的堆结构解决不了这里的问题！因为题目中有一点就是：如果前K个高频单词中，有出现相同次数的单词，就要按照字典顺序排序。所以没有这么简单，解决这题的一个简单思路就是：构造一个仿函数来定义比较的规则。

class Solution 
{struct kvCom{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));}};
public:vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) {map<string,int> countMap;for(auto& str:words){countMap[str]++;  //插入+修改}//将countMap中的元素插入到sortV中(迭代器遍历出来的map类元素是有序的)vector<pair<string,int>> sortV(countMap.begin(),countMap.end());     sort(sortV.begin(),sortV.end(),kvCom());vector<string> v;for(size_t i = 0; i<k; i++){v.push_back(sortV[i].first);}return v;}
};

这样将仿函数kvCom传给sort函数，sort就会按照我们自己定义的规则进行比较排序啦。

4.2 两个数组的交集Ⅰ

题目链接：IntersectionOfTwoArrays



💡这里分享一个找交集或差集的小算法：假设就拿上面的示例2来讲解：


找交集或者差集在实践中都是有应用的，比如：自动备份，同步数据(网盘同步)等其实都会用到找交集和差集。所以该题的代码实现如下：

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());set<int>::iterator it1 = s1.begin();set<int>::iterator it2 = s2.begin();vector<int> v;while(it1 != s1.end() && it2 != s2.end()){if(*it1 < *it2){it1++;}else if(*it1 > *it2){it2++;}else{v.push_back(*it1);it1++;it2++;}}return v;}
};

结束啦！🍂🍂