【C++篇】STL的关联容器：map和set（上篇）—— map和set的介绍和使用

---

前言

在我们学习完了STL的string、vector、list容器后，你知道它们是哪类容器吗？
它们有个共同特点：通过下标（索引）来访问，因此它们都属于顺序容器。
那什么是关联容器呢？
关联容器：通过键(key)来存储和访问元素，在数据检索时顺序容器效率更高。
map 和 set 是 C++ STL 中两种重要的关联容器，它们都基于红黑树（一种自平衡二叉搜索树）实现。

本文内容标题所示，后续我会讲解它们的底层——AVL树和红黑树，并模拟实现它们。

---

一、set

1.1 set介绍

set文档介绍

可以看到，它只有一个键值，是一个K模型（这篇文章末尾有介绍）。

既然set的数据结构是平衡二叉搜索树（通常为红黑树），那么它具有如下基本特性：

1. 有序性（默认升序）
2. 唯一性（不允许重复元素）
3. 高效查找（查找次数为数的高度次，时间复杂度为 O(log n)）

还有个特点：set的键值是不可以修改的
迭代器的底层代码赋予了这个特性：

set的本质功能：排序+去重

1.2 set的使用

set的大多数接口是和list类似的，包括迭代器都是类似的，直接平移使用即可，这里我主要讲解它的常用特殊接口，下文map也是如此。

头文件和声明：

#include <set>
using namespace std;set<int> mySet;  // 声明一个整型set

1.2.1 count

count是什么呢？看后面的介绍似乎是说用一个特殊值统计一个元素的数量。奇怪，元素不是唯一的吗？那数量不是固定就是1吗？哪有什么意义呢？
没错，在set这里确实是没有意义，但set还有个孪生兄弟：mutiset，它允许有键值相同的元素出现，这时候统计数量就有意义了。
至于为什么要在set中设计这个接口，我猜可能是为了兼容性。

1.2.2 lower_bound和upper_bound

功能：返回一个大于等于val的第一个元素的迭代器

功能：返回一个大于val的第一个元素的迭代器

两者配合起来使用可以确定迭代区间

应用：删除区间元素

1.2.3 equal_range

功能：返回元素为val值的迭代器区间

这个接口和count一样，在set中无意义，主要应用在muliset容器。

这里的返回值类型pair是键值对，暂且放一放，后文map我会讲解。

---

二、map

2.1 map介绍

map的文档介绍

可以看到，map有两个键值Key和T，后面统称T为Value，这是一个KV模型。

map通常也被实现为平衡二叉搜索树(红黑树），因此它也具备set的基本特性：有序性、唯一性、高效查找。

与set不同的是，Key值是可以修改的，迭代器底层代码：

我们来看看节点的底层代码：

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。

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){}
};

map的两个键值就被设计为了键值对，其中Key为键值，Value表示与key对应的信息。pair<Key, Value>

可以看到，map是一个值对应另一个值的，就和数学的函数一样，并且，它是有序且不重复的（Value是可以重复的）。
map的本质功能：映射

---

2.2 map的使用

头文件和声明

#include <map>
using namespace std;map<string, int> studentScores;  // 键是string，值是int

2.2.1 插入元素

常用的是single element。
可以看到，函数参数的类型为pair<T1, T2>。
我们有如下两种方式来设计参数：

• 方式1：
  
  通过make_pair创建一个pair对象，用pair对象去做参数。

  void test_map()
  {map<string, string> dict;dict.insert(make_pair("string", "字符串"));dict.insert(make_pair("sort", "排序"));dict.insert(make_pair("insert", "插入"));
  }
  

• 方式2：
  直接用{Key， Value}
  原理：C++11 多参数的构造函数隐式类型转换

  dict.insert({ "string", "字符串" });
  

注意：插入过程只比较Key，有相同的就插入失效，Value相不相同是无所谓的。

2.2.2 操作接口

这些接口作用和set是相同的，包括存在mutilmap，它也是突破了map的唯一性。

2.2.3 元素访问

与set相比，map重载了访问操作符[]。

at()函数不常用
我们来看看map是如何访问的。
读读下面的文档

我们来看看它的底层代码：

有点晦涩，简化版：

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

可以看出：[]的本质是insert。

1. 如果key在map中存在，返回pair<key为键值所在的节点的iterator， false>
2. 如果key在map中不存在，返回pair<新插入的一个key为键值的节点的iterator， true>

总而言之，最终实现的功能是：

对于mymap[key]

• 如果key存在：以key值为下标，返回value的值。
• 如果key不存在：插入一个key值节点，返回一个空的value值

---

结语

相信你现在已经学会使用map和set了，不妨来做做题吧~
试试用map或set来解决它们：

• 有效括号
• 随机链表的复制
• 前K个高频单词（注意排序的稳定性问题）

如果你做过这些题，那再好不过了，试试用map或set解决它们，感受它们带来的便捷。