浅谈C++|STL之set篇

白茶加冰2023-09-16 14:31

一.set

1.1set基本概念

特点：

所有元素在插入时，会自动排序，并且不能插入重复元素。

本质：

set/multiset属于关联式容器，底层是红黑树。

set/multiset区别

1.set不允许容器中有重复的元素 2.multiset允许容器中有重复的元素

1.2set构造和赋值

  1. 构造set容器：

    • 默认构造函数：std::set<Type> set_name;
    • 区间构造函数：std::set<Type> set_name(iterator_begin, iterator_end);
    • 拷贝构造函数：std::set<Type> set_name(another_set);
    • 拷贝构造函数（部分元素）：std::set<Type> set_name(another_set, iterator_begin, iterator_end);

  2. 赋值操作：

    • 拷贝赋值：set_name = another_set;
    • 移动赋值（自C++11起）：set_name = std::move(another_set);
    • 重载 = ：std::set<Type> set_name = another_set;

其中，Type是set中存储的元素类型。需要注意的是，set中的元素默认按照升序进行排序，并且所有元素都是唯一的。如果需要自定义排序规则或元素比较函数，可以使用带有自定义比较函数的构造函数和赋值操作符。

以下是一些示例代码：

cpp 复制代码 
// 构造set容器
std::set<int> mySet1;  // 默认构造函数

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::set<int> mySet2(arr, arr + 5);  // 区间构造函数，指针也可

std::set<int> anotherSet = mySet2;  // 拷贝构造函数

// 赋值操作
std::set<int> mySet3;
mySet3 = anotherSet;  // 拷贝赋值

std::set<int> mySet4;
mySet4 = std::move(anotherSet);  // 移动赋值
构造函数 示例
默认构造函数 std::set<Type> set_name;
区间构造函数 std::set<Type> set_name(begin, end);
拷贝构造函数 std::set<Type> set_name(another_set);
拷贝构造函数（部分元素） std::set<Type> set_name(another_set, iterator_begin, iterator_end);
赋值操作 示例
拷贝赋值 set_name = another_set;
移动赋值（自C++11起） set_name = std::move(another_set);

1.3set大小和交换

在STL中，set（或者其他关联容器）具有以下两个常用的成员函数来获取容器的大小以及交换容器内容：

  1. 大小操作：

    • size()：返回容器中元素的个数。
    • empty()：检查容器是否为空，如果为空则返回true，否则返回false。

  2. 交换操作：

    • swap()：将当前容器的内容与另一个容器进行交换。

以下是使用示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <set>

int main() {
  std::set<int> mySet = {1, 2, 3, 4, 5};

  // 大小操作
  std::cout << "Set的大小为：" << mySet.size() << std::endl;

  if (mySet.empty()) {
      std::cout << "Set为空" << std::endl;
  } else {
      std::cout << "Set不为空" << std::endl;
  }

  // 交换操作
  std::set<int> anotherSet = {10, 20, 30};
  mySet.swap(anotherSet);

  std::cout << "交换后的mySet：" << std::endl;
  for (const auto& num : mySet) {
      std::cout << num << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

  std::cout << "交换后的anotherSet：" << std::endl;
  for (const auto& num : anotherSet) {
      std::cout << num << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

  return 0;
}

输出结果：

javascript 复制代码 
Set的大小为：5
Set不为空
交换后的mySet：
10 20 30 
交换后的anotherSet：
1 2 3 4 5

通过调用size()函数可以获取set的大小，使用empty()函数可以判断set是否为空。而使用swap()函数可以交换两个set容器的内容。

大小操作 说明
size() 返回set容器中元素的个数。
empty() 检查set容器是否为空，如果为空则返回true，否则返回false。
交换操作 说明
swap(other_set) 将当前set容器的内容与另一个set容器other_set进行交换。

1.4set的插入和删除

  1. 插入操作：

    • insert(val)：将值为val的元素插入set容器中。
    • insert(start, end)：将迭代器范围内的元素插入set容器中。
    • emplace(args)：在set容器中构造一个新元素，使用args参数传递构造参数。

  2. 删除操作：

    • erase(val)：从set容器中删除值等于val的元素。
    • erase(iterator)：删除按照迭代器指定的元素。
    • erase(start, end)：删除迭代器范围内的元素。
    • clear()：删除set容器中的所有元素。

以下是使用示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <set>

int main() {
  std::set<int> mySet;

  // 插入操作
  mySet.insert(1);
  mySet.insert(2);
  mySet.insert(3);

  mySet.emplace(4);

  std::set<int> anotherSet = {5, 6, 7};
  mySet.insert(anotherSet.begin(), anotherSet.end());

  // 删除操作
  mySet.erase(3);
  mySet.erase(mySet.find(4));
  mySet.erase(mySet.begin(), mySet.find(5));
  mySet.clear();

  return 0;
}

请注意，set是按照元素的自然排序进行存储的，因此在插入操作时会按照排序规则进行插入。在删除操作时，可以指定特定的元素值进行删除，或者使用迭代器进行删除，也可以删除迭代器范围内的一系列元素。使用clear()函数可以删除set容器中的所有元素。

插入操作 说明
insert(val) 将值为val的元素插入set容器中。
insert(start, end) 将迭代器范围内的元素插入set容器中。
emplace(args) 在set容器中构造一个新元素，并使用args参数传递构造参数。
删除操作 说明
erase(val) 从set容器中删除值等于val的元素。
erase(iterator) 删除按照迭代器指定的元素。
erase(start, end) 删除迭代器范围内的元素。
clear() 删除set容器中的所有元素。

1.5set的查找和统计

在STL中，set（或其他关联容器）具有以下常用的成员函数来进行元素的查找和统计：

  1. 查找操作：

    • count(val)：返回set容器中值等于val的元素的个数（由于set中元素唯一，所以返回值只能是0或1）。
    • find(val)：返回一个迭代器，指向set容器中值等于val的元素，如果未找到则返回指向容器末尾的迭代器 end()。
    • lower_bound(val)：返回一个迭代器，指向set容器中第一个不小于val的元素。
    • upper_bound(val)：返回一个迭代器，指向set容器中第一个大于val的元素。
    • equal_range(val)：返回一个pair，包含两个迭代器，分别指向set容器中等于val的元素的起始位置和结束位置。

  2. 统计操作：

    • size()：返回set容器中元素的个数。

以下是使用示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <set>

int main() {
  std::set<int> mySet = {1, 2, 3, 4, 5};

  // 查找操作
  int count = mySet.count(3);
  std::cout << "值为3的元素在set中出现的次数：" << count << std::endl;

  auto it = mySet.find(4);
  if (it != mySet.end()) {
    std::cout << "找到了值为4的元素" << std::endl;
  } else {
    std::cout << "未找到值为4的元素" << std::endl;
  }

  auto lower = mySet.lower_bound(3);
  auto upper = mySet.upper_bound(3);
  std::cout << "大于等于3的第一个元素：" << *lower << std::endl;
  std::cout << "大于3的第一个元素：" << *upper << std::endl;

  auto range = mySet.equal_range(3);
  std::cout << "等于3的元素范围：" << *range.first << " - " << *range.second << std::endl;

  // 统计操作
  std::cout << "set的大小：" << mySet.size() << std::endl;

  return 0;
}

输出结果：

arduino 复制代码 
值为3的元素在set中出现的次数：1
找到了值为4的元素
大于等于3的第一个元素：3
大于3的第一个元素：4
等于3的元素范围：3 - 4
set的大小：5

通过以上示例可以看出，使用count()函数可以统计set容器中值等于给定值的元素个数。使用find()函数可以查找set容器中值等于给定值的元素，并返回其迭代器。lower_bound()函数可以返回第一个不小于给定值的元素的迭代器，而upper_bound()函数则返回第一个大于给定值的元素的迭代器。equal_range()函数返回一个pair，包含了等于给定值的元素的起始位置和结束位置。size()函数用于统计set容器中元素的个数。

查找操作 说明
count(val) 返回set容器中值等于val的元素的个数（返回值只能是0或1，因为set中元素唯一）。
find(val) 返回一个迭代器，指向set容器中值等于val的元素，如果未找到则返回指向容器末尾的迭代器 end()。
lower_bound(val) 返回一个迭代器，指向set容器中第一个不小于val的元素。
upper_bound(val) 返回一个迭代器，指向set容器中第一个大于val的元素。
equal_range(val) 返回一个pair，包含两个迭代器，分别指向set容器中等于val的元素的起始位置和结束位置。
统计操作 说明
size() 返回set容器中元素的个数。

1.6set的insert返回值

使用insert函数在set容器中插入元素时，返回值是一个pair类型的迭代器和布尔值。

  • 如果插入的元素在set容器中不存在（即唯一性），则返回的布尔值为true，且迭代器指向新插入的元素位置。
  • 如果插入的元素在set容器中已经存在（即已有相同的元素），则返回的布尔值为false，且迭代器指向与已存在的元素相等的位置。

以下是使用示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <set>

int main() {
  std::set<int> mySet = {1, 2, 3};

  auto result = mySet.insert(4);
  if (result.second) {
    std::cout << "插入成功，新元素的值为：" << *result.first << std::endl;
  } else {
    std::cout << "插入失败，重复的元素的值为：" << *result.first << std::endl;
  }

  result = mySet.insert(2);
  if (result.second) {
    std::cout << "插入成功，新元素的值为：" << *result.first << std::endl;
  } else {
    std::cout << "插入失败，重复的元素的值为：" << *result.first << std::endl;
  }

  return 0;
}

输出结果：

插入成功，新元素的值为：4
插入失败，重复的元素的值为：2

在上面的示例中，首先使用insert(4)插入一个在set容器中不存在的元素，因此返回的布尔值为true，迭代器指向新插入的元素位置。

接下来使用insert(2)插入一个已经存在的元素，由于set容器的唯一性特性，插入失败，返回的布尔值为false，迭代器指向与已存在的元素相等的位置。

1.7set自定义排序

在C++的STL中，set容器默认按照升序进行排序。在插入元素时，set容器会自动将元素按照特定的比较函数进行排序，以保证容器中的元素始终按照升序排列。

如果需要使用自定义的排序规则，可以在创建set容器时通过传递一个自定义的比较函数对象来指定排序规则。比较函数对象应满足严格弱排序（Strict Weak Ordering）的要求，即有传递性、反对称性和完全性。

例如，假设我们想要按照降序排列set容器中的元素，可以通过自定义比较函数对象来实现：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <set>

// 自定义的比较函数对象，仿函数
class DescendingComparator {
  bool operator()(int a, int b) const {
    return a > b;  // 降序排序
  }
};

int main() {
  std::set<int, DescendingComparator> mySet = {5, 2, 7, 1, 9};

  // 打印排序后的set容器内容
  for (const auto& elem : mySet) {
    std::cout << elem << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

  return 0;
}

输出结果：

9 7 5 2 1

在上面的示例中，我们通过传递自定义的比较函数对象DescendingComparator来创建set容器mySet，从而实现按照降序排列的功能。

需要注意的是，通过自定义比较函数对象来指定排序规则时，当容器中的元素具有相等的排序键时，set容器仍然能够确保元素的唯一性。

const修饰的成员函数 bool operator()(int a, int b) const { return a > b; // 降序排序 }

const成员函数具有以下几个特点：

  1. 不修改成员变量：const成员函数承诺不会修改类对象的成员变量的值。在const成员函数中，所有非静态的成员变量都被视为const，无法直接修改它们的值。只能访问成员变量的值或调用其他的const成员函数。

  2. 可以被常量对象调用：const成员函数可以被常量对象调用，而非const成员函数无法被常量对象调用。常量对象是指使用 const 修饰的对象，它们的成员函数只能调用对象的 const 成员函数。

  3. 重载：const成员函数和非const成员函数可以同时存在，并且可以根据是否为常量对象来进行重载。这样可以在不同的情况下调用不同的成员函数版本。

  4. 对象状态不变：const成员函数内部的逻辑不会改变对象的状态，也就是说，它不会修改对象的数据成员。这可以让使用者在调用const成员函数时，放心地假设对象不会被修改。

  5. 可以调用其他const成员函数：在const成员函数内部，可以调用其他的const成员函数。这是因为在const成员函数内部，所有的非静态成员变量都被视为const，因此只能调用const成员函数来保证对象状态的不变性。

总结起来，const成员函数由于其不修改对象状态的特性，能够提供更高的安全性和可靠性。它们可以被常量对象调用，不会修改对象的成员变量，可以重载非const成员函数，以及可以相互调用。

1.8set存储自定义类型

在C++中，可以使用std::set容器来存储自定义类型。

要在std::set中存储自定义类型，需要满足以下两个条件：

  1. 提供比较函数：std::set是一个有序容器，它要求元素能够进行比较来确定它们的顺序。为了实现自定义类型的比较，你可以通过重载小于运算符（<）或为该类型提供一个自定义的比较函数对象。这个比较函数或运算符将被用于确定元素的顺序。

    例如，假设有一个自定义类型 Person，我们可以重载 < 运算符来定义其比较方式，或者提供一个比较函数对象，如下所示：

    cpp 复制代码 
    struct Person {
  std::string name;
  int age;

  // 通过重载 < 运算符定义比较方式
  bool operator<(const Person& other) const {
    return age < other.age;
  }
};

// 或者通过提供自定义的比较函数对象
struct AgeComparator {
  bool operator()(const Person& a, const Person& b) const {
    return a.age < b.age;
  }
};

  2. 为容器指定比较方式：在创建std::set对象时，需要指定元素的比较方式。你可以通过传递一个比较函数对象作为std::set的第二个模板参数，或者默认使用默认的比较方式（利用元素类型的 < 运算符）。例如：

    cpp 复制代码 
    std::set<Person> people;  // 使用自定义比较函数对象
std::set<Person, AgeComparator> people;  // 使用自定义比较函数对象
std::set<int> numbers;  // 使用整数类型的默认比较方式

在存储自定义类型的std::set中，元素将按照它们的比较方式进行排序，保证元素的唯一性。你可以使用insert()函数向std::set中插入元素，使用find()函数在std::set中查找元素。同时，std::set还提供了其他常见的操作，如删除元素、遍历元素等。

1.9set函数接口

类别 函数接口
构造函数 set()
set(InputIt first, InputIt last)
set(const set& other)
set(set&& other)
赋值运算符 operator=
operator=(set&& other)
迭代器 begin()
end()
容量 empty()
size()
max_size()
修改器 insert(const value_type& value)
insert(InputIt first, InputIt last)
erase(const value_type& value)
erase(iterator position)
erase(iterator first, iterator last)
clear()
查找 find(const value_type& value)
count(const value_type& value)
lower_bound(const value_type& value)
upper_bound(const value_type& value)
equal_range(const value_type& value)
比较 operator==
operator!=
operator<
operator>
operator<=
operator>=

例子

operator<=是 std::set 容器的比较运算符之一，用于比较两个 std::set 是否满足部分顺序关系。下面是使用 operator<= 进行比较的方法：

首先，假设有两个 std::set 对象，例如 set1 和 set2。

cpp 复制代码 
std::set<T> set1;
std::set<T> set2;

要使用 operator<= 进行比较，只需要将这两个集合放在一个条件语句中，并使用 operator<= 进行比较。例如：

cpp 复制代码 
if (set1 <= set2) {
  // set1 是 set2 的子集或等于 set2
} else {
  // set1 不是 set2 的子集
}

当条件为真时，表示 set1 是 set2 的子集，或者两个集合完全相等。否则，当条件为假时，表示 set1 不是 set2 的子集。

请注意，这里的子集关系取决于 std::set 中元素的部分顺序关系，即集合中的元素按升序排列。

operator<= 比较的是两个集合的关系，而不是集合中元素的值之间的关系。如果你想比较集合中的元素的值，请使用迭代器或其他比较方法进行元素比较。

二.multiset

std::set和std::multiset是C++标准库中的两种关联容器，它们的函数接口在大部分功能上是相同的，但在某些特定操作上有一些区别。

以下是std::set和std::multiset之间函数接口的主要区别：

  1. 插入操作：对于std::set，insert()函数返回一个std::pair对象，用于指示插入是否成功，并且如果插入的元素已经存在，则不会插入重复元素。而对于std::multiset，insert()函数直接插入元素，允许存储重复元素。

  2. 删除操作：erase()函数在std::set和std::multiset中的行为略有不同。在std::set中，erase()函数将删除与给定值相等的元素，并返回删除的元素数量（0或1）。在std::multiset中，erase()函数将删除所有与给定值相等的元素，并返回删除的元素数量。

  3. 元素计数：count()函数在std::set和std::multiset中的行为也略有不同。在std::set中，count()函数返回一个整数，表示与给定值相等的元素的数量（0或1）。而在std::multiset中，count()函数返回一个整数，表示与给定值相等的元素的数量。

  4. 查找操作：find()函数在std::set和std::multiset中的行为相同，都是用于在容器中查找与给定值相等的元素，并返回指向该元素的迭代器。如果找不到匹配的元素，则返回容器的end()迭代器。

除了上述区别外，std::set和std::multiset其他常见的函数接口，如迭代器操作、大小和容量查询等，基本上是相同的。

，这只是std::set和std::multiset之间在函数接口上的一些区别，它们共享相似的函数接口，因为它们都是基于相同的关联容器概念，并遵循C++标准库的通用规范。 下面是std::set和std::multiset之间函数接口的主要区别的整理表格：

函数接口 std::set std::multiset
插入操作 insert()函数返回std::pair对象，不插入重复元素 直接插入元素，允许存储重复元素
删除操作 erase()函数删除等于给定值的元素，返回删除数量 erase()函数删除等于给定值的所有元素，返回删除数量
元素计数 count()函数返回0或1 count()函数返回与给定值相等的元素数量
查找操作 find()函数返回指向匹配元素的迭代器 find()函数返回指向匹配元素的迭代器
其他常见操作 迭代器操作、大小和容量查询等 迭代器操作、大小和容量查询等

三.unordered_set

无序set

函数接口 std::set std::unordered_set
排序顺序 元素按升序排列 不对元素进行排序
插入操作 insert()函数返回一个std::pair对象，不插入重复元素 插入元素，不插入重复元素
查找操作 find()函数返回指向匹配元素的迭代器 find()函数返回指向匹配元素的迭代器
删除操作 erase()函数删除等于给定值的元素并返回删除的数量 erase()函数删除等于给定值的元素并返回删除的数量
元素计数 count()函数返回值只能是0或1，因为集合中元素唯一 count()函数返回与给定值相等的元素数量
迭代器范围遍历 可以使用迭代器范围进行区间遍历 可以使用迭代器范围进行区间遍历
内部实现 基于红黑树实现，保持元素有序 基于哈希表实现，元素无序
性能特点 插入和删除操作相对较慢，查找操作较快 插入和删除操作相对较快，查找操作速度由哈希函数质量决定
内存占用 需要额外的存储空间来维护红黑树结构 需要额外的存储空间来维护哈希表结构
迭代顺序 根据元素值进行排序 根据哈希函数和桶排序顺序，元素顺序不固定

unordered_set是基于哈希表实现的，因此在插入和查找操作时具有较快的平均时间复杂度。而set是基于红黑树实现的，保证了元素的有序性，但插入和删除操作相对较慢。在选择使用哪个容器时，可以根据实际需求和性能要求进行评估。

四.unordered_multiset

std::unordered_multiset是C++标准库中的一种关联容器，它实现了一个无序的、允许重复元素的集合（Multiset）。与std::unordered_set不同，std::unordered_multiset允许存储多个相同的元素，而不是将重复元素视为错误。

以下是std::unordered_multiset相较于std::unordered_set的一些主要特点和区别：

  1. 元素存储：std::unordered_multiset以无序的方式存储元素，并允许多个相同的元素存在。
  2. 插入重复元素：insert()函数可以插入重复的元素。
  3. 删除元素：erase()函数可以删除与给定值相等的所有元素。
  4. 元素计数：count()函数返回某个给定值在容器中的数量，可以用于统计重复元素的个数。
  5. 迭代器范围遍历：可以使用迭代器范围进行区间遍历，包括重复元素。

std::unordered_multiset使用哈希表（hash table）来实现存储和快速查找元素，而不会按照元素的顺序进行排序。如果你需要保持元素的有序性，请考虑使用std::multiset，它是一个有序的、允许重复元素的集合容器。

函数接口 std::unordered_multiset std::unordered_set
元素存储 无序存储、允许重复元素 无序存储、不允许重复元素
插入操作 insert()函数可以插入重复元素 insert()函数不插入重复元素
删除操作 erase()函数删除与给定值相等的所有元素，并返回删除的数量 erase()函数删除等于给定值的元素，并返回删除的数量
元素计数 count()函数返回与给定值相等的元素数量 count()函数返回0或1，因为集合中不存储重复项
迭代器范围遍历 可以使用迭代器范围进行区间遍历，包括重复的元素 可以使用迭代器范围进行区间遍历，不包括重复的元素
内部实现 基于哈希表实现，元素无序 基于哈希表实现，元素无序
性能特点 插入和删除操作性能较快，查找操作速度取决于哈希函数和负载因子的质量 插入和删除操作性能较快，查找操作速度取决于哈希函数和负载因子的质量
内存占用 需要额外的存储空间来维护哈希表结构 需要额外的存储空间来维护哈希表结构
迭代顺序 元素的顺序是无序的 元素的顺序是无序的

五.四种set总结

在C++中，有四种不同的集合容器：std::set、std::multiset、std::unordered_set和std::unordered_multiset。

  1. std::set：

    • 基于红黑树实现的有序集合容器。
    • 每个元素在容器中都是唯一的，不允许重复元素。
    • 元素按照升序存储，并且支持高效的查找、插入和删除操作。
    • 没有哈希函数的开销，也没有哈希冲突的问题。

  2. std::multiset：

    • 基于红黑树实现的有序多重集合容器。
    • 允许存储重复的元素，即可以有多个相等的元素。
    • 元素按照升序存储，并且支持高效的查找、插入和删除操作。

  3. std::unordered_set：

    • 基于哈希表实现的无序集合容器。
    • 每个元素在容器中都是唯一的，不允许重复元素。
    • 元素存储顺序是无序的，但在平均情况下，插入、查找和删除操作都具有较快的时间复杂度。
    • 元素类型需要提供哈希函数和相等比较函数。

  4. std::unordered_multiset：

    • 基于哈希表实现的无序多重集合容器。
    • 允许存储重复的元素，即可以有多个相等的元素。
    • 元素存储顺序是无序的，但在平均情况下，插入、查找和删除操作都具有较快的时间复杂度。
    • 元素类型需要提供哈希函数和相等比较函数。

总结来说，std::set和std::unordered_set是无序容器，而std::multiset和std::unordered_multiset是允许存储重复元素的无序容器。其中，std::set和std::multiset中的元素是有序存储的，而std::unordered_set和std::unordered_multiset中的元素是无序存储的，但具有更快的插入、查找和删除操作。选择使用哪种容器取决于你的需求，包括是否需要有序存储元素以及对性能的要求。

头文件：

  • std::set： #include <set>
  • std::multiset： #include <set>
  • std::unordered_set： #include <unordered_set>
  • std::unordered_multiset： #include <unordered_set>
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