第四章：树形结构的关联式容器（map+set）

好好锅2023-08-22 20:13

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前言

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。

1、关联式容器与序列式容器

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。

而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。 （插入删除只需挪动指针指向，无需挪动数据，查找时间logN）

关联式容器有两种，一种是map、set、multimap、multiset采用树形结构，他们的底层都是红黑树，另一种是哈希结构。

1.1 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：

cpp 复制代码 
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)
  {}
};

2、set的介绍

  1. set是关联式容器，它表面上只存放value，实际底层中存放的是由<value,value>组成的键值对。

  2. set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)。

  3. 使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列（排序+去重）。

  4. 为了保证元素的唯一性，set中的元素均为const，所以并不能对元素进行修改，但可以进行插入删除。

  5. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

  6. set调用find将采用中序遍历。

cpp 复制代码 
void test1()
{
	set<int> s1;
	s1.insert(3);
	s1.insert(1);
	s1.insert(2);
	s1.insert(4);
	s1.insert(3);
	s1.insert(5);

	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
//结果
1 2 3 4 5

3、multiset的介绍

与set的区别为 ：允许键值冗余。

使用multiset的迭代器遍历multiset中的元素，可以得到有序非去重序列（排序）。

cpp 复制代码 
void test1()
{
	multiset<int> s2;
	s2.insert(3);
	s2.insert(1);
	s2.insert(2);
	s2.insert(4);
	s2.insert(3);
	s2.insert(5);

	for (auto e : s2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

//结果
1 2 3 3 4 5

3.1 接口count与容器multiset

set的count和find的作用一样，都是用于查找set中是否存在某个元素。

其实count是为了容器multiset设计的，该容器允许插入重复的元素，此时count会返回红黑树中被搜索元素的个数。

cpp 复制代码 
void test1()
{
	multiset<int> s1;
	s2.insert(3);
	s2.insert(1);
	s2.insert(2);
	s2.insert(4);
	s2.insert(3);
	s2.insert(5);

cout << s1.count(3) << endl;
}

//结果
2

4、map的介绍

map是关联式容器，根据特定的存储顺序，用于存储由键值及其映射值组合的元素。

可以看到Alloc中有一个键值对pair，这个pair是一个key/value结构的struct模板类。这个类将一对键值耦合在一起，所以，map的存储方式是通过在搜索二叉树中存储键值对pair，而搜索二叉树的k/v模型是在节点中存储key和value，并不相同。pair的结构：

cpp 复制代码 
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)
	{}
};

4.1 接口insert

使用map的迭代器遍历map中的元素，可以得到有序序列（排序+去重）。

cpp 复制代码 
void test2()
{
	map<string, string> dict;
	dict.insert(pair<string, string>("left", "左边"));
	dict.insert(pair<string, string>("right", "右边"));
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	dict.insert(make_pair("count", "计数"));
	dict.insert(make_pair("count", "计数"));
    
	
	map<string, string>::iterator it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
}
//结果
count:计数
left:左边
right:右边
sort:排序
string:字符串

make_pair是一个函数模板:

cpp 复制代码 
template <class T1,class T2>
pair<T1,T2> make_pair (T1 x, T2 y)
{
	return ( pair<T1,T2>(x,y) );
}

为了保证元素的唯一性，map中的元素均为const，所以并不能对元素进行修改，但可以进行插入删除。

4.2 operator[]和at

使用map统计每个字符出现个数

cpp 复制代码 
void test3()
{
	string arr[] = { "西瓜", "西瓜", "苹果", "苹果", "香蕉", "梨" };

	map<string, int> countMap;
	for (auto& e : arr)
	{
		auto ret = countMap.find(e);
		if (ret == countMap.end())
		{
			countMap.insert(make_pair(e, 1));
		}
		else
		{
			ret->second++;
		}
	}

	for (auto e : countMap)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
}

调用insert函数，函数的第二个参数为value类型的缺省值，调用默认构造。

返回值是pair<iterator,bool>，pair.first 表示迭代器 ，解引用就为pair数据 ，pair数据取second就为value。

cpp 复制代码 
void test4()
{
	string arr[] = { "西瓜", "西瓜", "苹果", "苹果", "香蕉", "梨" };

	map<string, int> countMap;
	for (auto& e : arr)
	{
		countMap[e]++;
	}

	for (auto e : countMap)
	{
		cout << e.first << ":" << e.second << endl;
	}
}
cpp 复制代码 
V& operator[](const K& key)
{
  pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
  return ret.first->second;
}

【operator[]的作用】：

  1. 插入：插入 left，第二个给缺省值，而string缺省值为空串。

  2. 修改：由于插入的left已经存在，所以插入失败，并寻找之前已经存在的left对应的迭代器，把left迭代器的返回值 value修改为左边。

  3. 插入+修改：插入right，第二个缺省值为空串，并把返回值 value修改为右边。

  4. 查找：直接返回对应的value值即可。

5、multimap的介绍

与map的区别：允许键值冗余。

使用multimap的迭代器遍历multiset中的元素，可以得到有序非去重序列（排序）。

cpp 复制代码 
void test5()
{
	multimap<string, string> dict;
	dict.insert(pair<string, string>("left", "左边"));
	dict.insert(pair<string, string>("right", "右边"));
	dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.insert(make_pair("string", "字符串"));
	dict.insert(make_pair("count", "计数"));
	dict.insert(make_pair("count", "数字"));


	multimap<string, string>::iterator it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
}
//结果
count:计数
count:数字
left:左边
right:右边
sort:排序
string:字符串

但是multimap并没有operator[]，因为在map中，key和value是一对一的关系，在multimap中，key和value是一对多的关系，所以没办法判断当前key值对应哪一个value。

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