【C++ 学习 ㉑】- 详解 map 和 set（上）

melonyzzZ2023-09-20 11:16

目录

[一、C++ STL 关联式容器](#一、C++ STL 关联式容器)

[二、pair 类模板](#二、pair 类模板)

三、set

[3.1 - set 的基本介绍](#3.1 - set 的基本介绍)

[3.2 - set 的成员函数](#3.2 - set 的成员函数)

[3.1.1 - 构造函数](#3.1.1 - 构造函数)

[3.1.2 - 迭代器](#3.1.2 - 迭代器)

[3.1.3 - 修改操作](#3.1.3 - 修改操作)

[3.1.4 - 其他操作](#3.1.4 - 其他操作)

四、map

[4.1 - map 的基本介绍](#4.1 - map 的基本介绍)

[4.2 - map 的成员函数](#4.2 - map 的成员函数)

[4.2.1 - 迭代器](#4.2.1 - 迭代器)

[4.2.2 - operator[]](#4.2.2 - operator[])

五、multiset

六、multimap

七、相关练习

[7.1 - 有效的括号](#7.1 - 有效的括号)

[7.2 - 复制带随机指针的链表](#7.2 - 复制带随机指针的链表)

[7.3 - 两个数组的交集](#7.3 - 两个数组的交集)

[7.4 - 前K个高频单词](#7.4 - 前K个高频单词)

一、C++ STL 关联式容器

C++ 容器可以分为序列式容器和关联式容器，我们在前面的章节中对序列式容器（包括 array、vector、list、deque 和 forward_list）已经做了详细的介绍，下面，我们也将对 C++ STL 中的所有关联式容器做详细的介绍。

和序列式容器不同的是，使用关联式容器存储的元素都是一个一个的 "键值对"（<key, value>），并且使用关联式容器存储的元素默认会根据各元素的键值 key 的大小做升序排序。

由于不同的应用场景，C++ STL 实现了树形结构 和哈希结构 的关联式容器。树形结构的关联式容器（包括 map、set、multimap、multiset）使用了平衡搜索树（即红黑树）作为其底层结构；哈希结构的关联式容器（包括 unordered_map、unordered_set、unordered_multimap、unordered_multise）则使用了哈希表作为其底层结构。

二、pair 类模板

我们知道，关联式容器存储的是 "键值对" 形式的数据，因为 "键值对" 并不是普通数据类型，所以 C++ STL 提供了 pair 类模板，并将其定义在 <utility> 头文件中。

cpp 复制代码 
template < class T1, class T2 > struct pair;

pair 类模板在 SGI-STL 版本中的实现：

cpp 复制代码 
#pragma once
​
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) {}
};
​
template<class T1, class T2>
inline bool operator==(const pair<T1, T2>& lhs, const pair<T1, T2>& rhs)
{
    return lhs.first == rhs.first && lhs.second == rhs.second;
}
​
template<class T1, class T2>
inline bool operator!=(const pair<T1, T2>& lhs, const pair<T1, T2>& rhs)
{
    return !(lhs == rhs);
}
​
template<class T1, class T2>
inline bool operator<(const pair<T1, T2>& lhs, const pair<T1, T2>& rhs)
{
    return lhs.first < rhs.first ||
        (!(rhs.first < lhs.first) && lhs.second < rhs.second);
}
​
template<class T1, class T2>
inline bool operator<=(const pair<T1, T2>& lhs, const pair<T1, T2>& rhs)
{
    return !(rhs < lhs);
}
​
template<class T1, class T2>
inline bool operator>(const pair<T1, T2>& lhs, const pair<T1, T2>& rhs)
{
    return rhs < lhs;
}
​
template<class T1, class T2>
inline bool operator>=(const pair<T1, T2>& lhs, const pair<T1, T2>& rhs)
{
    return !(lhs < rhs);
}
​
template<class T1, class T2>
inline pair<T1, T2> make_pair(const T1& x, const T2& y)
{
    return pair<T1, T2>(x, y);
}

三、set

3.1 - set 的基本介绍

set 容器以类模板的形式定义在 <set> 头文件中，并位于 std 命名空间中。

cpp 复制代码 
template < class T,                        // set::key_type/value_type
           class Compare = less<T>,        // set::key_compare/value_compare
           class Alloc = allocator<T>      // set::allocator_type
           > class set;

set 是按照特定次序存储唯一元素的容器。

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（元素始终是 const），但可以在容器中插入或删除它们。

在内部，set 中的元素始终按照其内部比较对象（类型为 Compare）指定的特定严格弱序标准（strict weak ordering criterion）进行排序。

set 容器通过 key 访问单个元素的速度通常比 unorder_sort 容器慢，但是 set 容器允许根据子集的顺序直接迭代子集。

set 底层是用二叉搜索树（红黑树）实现的。

3.2 - set 的成员函数

3.1.1 - 构造函数

cpp 复制代码 
empty (1) explicit set(const key_compare& comp = key_compare(),
                       const allocator_type& alloc = allocator_type());
range (2) template<class InputIterator>
            set <InputIterator first, InputIterator last,
                 const key_compare& comp = key_compare(),
                 const allocator_type& alloc = allocator_type()>;
 copy (3) set(const set& x);

  1. 默认构造函数：构造一个没有元素的空容器。

  2. 范围构造函数：用 [first, last) 区间中的元素构造一个容器。

  3. 拷贝构造函数。

3.1.2 - 迭代器

示例：

cpp 复制代码 
#include <set>
#include <iostream>
using namespace std;
​
int main()
{
    int arr[] = { 75, 23, 65, 42, 13 };
    int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    set<int> s(arr, arr + sz);
​
    set<int>::iterator it = s.begin();
    while (it != s.end())
    {
        // *it = 0;  // error
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    // 13 23 42 65 75
    cout << endl;
​
    set<int>::reverse_iterator rit = s.rbegin();
    while (rit != s.rend())
    {
        // *rit = 0;  // error
        cout << *rit << " ";
        ++rit;
    }
    // 75 65 42 23 13
    cout << endl;
    return 0;
}

注意：set 容器的迭代器类型为双向迭代器，并且 iterator 等价于 const_iterator，reverse_iterator 等价于 const_reverse_iterator。

这样就避免修改 set 容器中的元素。

3.1.3 - 修改操作

insert：

cpp 复制代码 
single element (1) pair<iterator, bool> insert(const value_type& val);
     with hint (2) iterator insert(iterator position, const value_type& val);
         range (3) template<class InputIterator>
                    void insert(InputIterator first, InputIterator last);

注意：在 set 中插入 val，实际上插入的是 <val, val> 构成的键值对。

因为 set 中的元素都是唯一的，所以在插入操作中会检查每个插入的元素是否重复，如果是，则不插入该元素。

而允许插入重复元素的类似容器是 multiset。

返回值：

  1. 如果插入成功，即插入的元素不重复，返回 pair<指向新插入的元素的迭代器, true>；如果插入失败，即插入的元素重复，返回 pair<指向 set 中已有的等效元素的迭代器, false>。

  2. 返回一个迭代器，它指向新插入的元素，或者指向 set 中已有的等效的元素。

erase：

cpp 复制代码 
(1)      void erase(iterator position);
(2) size_type erase(const value_type& val);
(3)      void erase(iterator first, iterator last);

swap：

cpp 复制代码 
void swap(set& x);

clear：

cpp 复制代码 
void clear();

示例：

cpp 复制代码 
#include <set>
#include <iostream>
using namespace std;
​
int main()
{
    set<int> s;
    s.insert(75);
    s.insert(23);
    s.insert(65);
    s.insert(42);
    cout << s.insert(13).second << endl;  // 1（说明插入成功）
    cout << s.insert(13).second << endl;  // 0（说明插入失败）
    cout << s.size() << endl;  // 5
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 13 23 42 65 75
    cout << endl;
    return 0;
}

3.1.4 - 其他操作

find：

cpp 复制代码 
iterator find(const value_type& val) const;

count：

cpp 复制代码 
size_type count(const value_type& val) const;

返回 set 中值为 val 的元素的个数。

因为 set 中的元素都是唯一的，所以返回值只能是 1（元素找到了） 或 0（元素没找到）。

lower_bound：

cpp 复制代码 
iterator lower_bound(const value_type& val) const;

upper_bound：

cpp 复制代码 
iterator upper_bound(const value_type& val) const;

equal_range：

cpp 复制代码 
pair<iterator, iterator> equal_range(const value_type& val) const;

因为 set 中的元素都是唯一的，所以返回的范围中最多包含一个元素。

示例：

cpp 复制代码 
#include <set>
#include <iostream>
using namespace std;
​
int main()
{
    set<int> s;
    for (int i = 1; i < 10; ++i)
    {
        s.insert(i * 10);
    }
​
    set<int>::iterator pos = s.find(10);
    if (pos != s.end())
        s.erase(pos);
​
    if (s.count(20))  // 等价于 s.find(20) != s.end()
        cout << "元素找到了" << endl;
    else
        cout << "元素不存在" << endl;
    // 元素找到了
​
    // lower_bound 返回指向第一个 >= val 的元素的迭代器
    set<int>::iterator itlow = s.lower_bound(30); 
    // upper_bound 返回指向第一个 > val 的元素的迭代器
    set<int>::iterator itup = s.upper_bound(60);
    cout << *itlow << endl;  // 40
    cout << *itup << endl;  // 70
    s.erase(itlow, itup);
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 20 70 80 90
    cout << endl;
​
    cout << *s.equal_range(20).first << endl;  // 20
    cout << *s.equal_range(20).second << endl;  // 70
    return 0;
}

四、map

4.1 - map 的基本介绍

map 容器以类模板的形式定义在 <map> 头文件中，并位于 std 命名空间中。

cpp 复制代码 
template < class Key,                                     // map::key_type
           class T,                                       // map::mapped_type
           class Compare = less<Key>,                     // map::key_compare
           class Alloc = allocator<pair<const Key,T> >    // map::allocator_type
           > class map;

map 是关联式容器，它按照特定次序存储由键值 key 和值 value 组合而成的元素。

在 map 中，key 用于排序和唯一地标识元素，而 value 中存储与此 key 关联的内容。key 和 value 的类型可能不同，它们通过成员类型 value_type 绑定在一起：

cpp 复制代码 
typedef pair<const Key, T> value_type;

在内部，map 中的元素始终按照其内部比较对象（类型为 Compare）指定的严格弱排序标准（strict weak ordering criterion）通过 key 进行排序。

map 容器通过 key 访问单个元素的速度通常比 unordered_map 容器慢，但它允许根据子集的顺序直接迭代子集。

使用 [] 可以直接通过 key 找到对应的 value。

map 底层是用二叉树搜索树（红黑树）实现的。

4.2 - map 的成员函数

4.2.1 - 迭代器

示例：

cpp 复制代码 
#include <map>
#include <iostream>
using namespace std;
​
int main()
{
    map<string, string> dict;
    pair<string, string> kv("insert", "插入");
    dict.insert(kv);
    dict.insert(pair<string, string>("erase", "删除"));
    dict.insert(make_pair("find", "查找"));
    dict.insert({ "map", "地图;映射" });  // 多参数的构造函数的隐式类型转换
​
    auto it = dict.begin();
    while (it != dict.end())
    {
        // (*it).first = "xxx";  // error
        // (*it).second = "yyy";  // ok
        // cout << (*it).first << " : " << (*it).second << endl;
        // 或者：
        cout << it->first << " : " << it->second << endl;
        // 为了可读性，编译器将 it->->first/second 优化成了 it->first/second
        ++it;
    }
    cout << endl;
​
    auto rit = dict.rbegin();
    while (rit != dict.rend())
    {
        cout << rit->first << " : " << rit->second << endl;
        ++rit;
    }
    return 0;
}

map 容器的迭代器类型为双向迭代器。

4.2.2 - operator[]

cpp 复制代码 
mapped_type& operator[](const key_type& k);

  1. 如果 k 与容器中的某个元素的 key 匹配，函数则返回该元素的 key 对应的 value 的引用。

  2. 如果 k 与容器中所有元素的 key 都不匹配，函数则将插入键值为 k 的新元素，并返回其对应的 value 的引用（使用默认构造函数构造出来的）。

即：

cpp 复制代码 
mapped_type& operator[](const key_type& k)
{
    std::pair<iterator, bool> x = insert(make_pair(k, mapped_type()));
    return x.first->second;
}

示例：

cpp 复制代码 
#include <map>
#include <iostream>
using namespace std;
​
int main()
{
    string fruits[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜",
        "苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };
    map<string, int> countMap;
    for (const auto& e : fruits)
    {
        ++countMap[e];
    }
    for (const auto& e : countMap)
    {
        cout << e.first << " : " << e.second << endl;
    }
    // 苹果 : 6
    // 西瓜: 3
    // 香蕉 : 2
    return 0;
}

五、multiset

multiset 容器以类模板的形式定义在 <set> 头文件中，并位于 std 命名空间中。

cpp 复制代码 
template < class T,                        // multiset::key_type/value_type
           class Compare = less<T>,        // multiset::key_compare/value_compare
           class Alloc = allocator<T> >    // multiset::allocator_type
           > class multiset;

和 set 容器不同的是，multiset 容器中的元素可以重复。

示例：

cpp 复制代码 
#include <set>
#include <iostream>
using namespace std;
​
int main()
{
    multiset<int> s;
    s.insert(5);
    s.insert(3);
    s.insert(8);
    s.insert(7);
    s.insert(7);
    s.insert(9);
    s.insert(7);
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 3 5 7 7 7 8 9
    cout << endl;
​
    cout << s.count(7) << endl;  // 3
​
    auto ret = s.equal_range(7);
    auto itlow = ret.first;
    auto itup = ret.second;
    cout << *itlow << endl;  // 7
    cout << *itup << endl;  // 8
    s.erase(itlow, itup);
    for (const auto& e : s)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 3 5 8 9
    cout << endl;
    return 0;
}

六、multimap

multimap 容器以类模板的形式定义在 <map> 头文件中，并位于 std 命名空间中。

cpp 复制代码 
template < class Key,                                     // multimap::key_type
           class T,                                       // multimap::mapped_type
           class Compare = less<Key>,                     // multimap::key_compare
           class Alloc = allocator<pair<const Key,T> >    // multimap::allocator_type
           > class multimap;

和 map 容器不同的是，mutimap 容器中的元素的 key 可以是重复的，因此 multimap 没有重载 operator[]。

示例：

cpp 复制代码 
#include <map>
#include <iostream>
using namespace std;
​
int main()
{
    multimap<string, int> info;
    info.insert(make_pair("张三", 18));
    info.insert(make_pair("李四", 20));
    info.insert(make_pair("王五", 19));
    info.insert(make_pair("张三", 30));
    for (const auto& e : info)
    {
        cout << e.first << " : " << e.second << endl;
    }
    // 李四 : 20
    // 王五: 19
    // 张三 : 18
    // 张三 : 30
    return 0;
}

七、相关练习

7.1 - 有效的括号

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    bool isValid(string s) {
        stack<char> st;
        map<char, char> matchMap;
        matchMap['('] = ')';
        matchMap['['] = ']';
        matchMap['{'] = '}';
​
        for (const auto& ch : s)
        {
            if (matchMap.count(ch))  
            {
                st.push(ch);  // 左括号入栈
            }
            else
            {
                if (st.empty())
                    return false;
                
                if (ch != matchMap[st.top()])  // 右括号去匹配栈顶的左括号
                    return false;
                else
                    st.pop();
            }
        }
        return st.empty();
    }
};

7.2 - 复制带随机指针的链表

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        Node* cur = head;
        Node* copyHead = nullptr;
        Node* copyTail = copyHead;
        map<Node*, Node*> curCopyMap;
        while (cur)
        {
            Node* copy = new Node(cur->val);
            curCopyMap[cur] = copy;
​
            if (copyHead == nullptr)
            {
                copyHead = copyTail = copy;
            }
            else
            {
                copyTail->next = copy;
                copyTail = copyTail->next;
            }
            cur = cur->next;
        }
​
        cur = head;
        copyTail = copyHead;
        while (cur)
        {
            if (cur->random == nullptr)
            {
                copyTail->random = nullptr;
            }
            else
            {
                copyTail->random = curCopyMap[cur->random];
            }
            cur = cur->next;
            copyTail = copyTail->next;
        }
        return copyHead;
    }
};

7.3 - 两个数组的交集

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {
        // 去重
        set<int> s1(nums1.begin(), nums1.end());
        set<int> s2(nums2.begin(), nums2.end());
        // 求交集
        vector<int> ret;
        set<int>::iterator it1 = s1.begin();
        set<int>::iterator it2 = s2.begin();
        while (it1 != s1.end() && it2 != s2.end())
        {
            if (*it1 < *it2)
            {
                ++it1;
            }
            else if (*it2 < *it1)
            {
                ++it2;
            }
            else
            {
                ret.push_back(*it1);
                ++it1;
                ++it2;
            }
        }
        return ret;
    }
};

拓展：如何求 nums1 和 nums2 的差集？

首先仍然是去重，然后和求交集不同的是，当按序比较两个数组中的元素时，值较小的元素属于差集，相等的两个元素则跳过。

7.4 - 前K个高频单词

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    struct Greater 
    {
        bool operator()(const pair<string, int>& lhs, const pair<string, int>& rhs)
        {
            return lhs.second > rhs.second;
        }
    };
​
    vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) 
    {
        map<string, int> countMap;
        for (const auto& e : words)
        {
            ++countMap[e];
        }
​
        vector<pair<string, int>> v(countMap.begin(), countMap.end());  
        // 注意：
        // 因为 v 已经按字典顺序排好序了，
        // 所以此时只需要按单词出现的频率由高到低进行（稳定）排序即可。
        stable_sort(v.begin(), v.end(), Greater());
​
        vector<string> ret;
        for (int i = 0; i < k; ++i)
        {
            ret.push_back(v[i].first);
        } 
        return ret;
    }
};

因为 map 的迭代器类型为双向迭代器，无法使用 sort，所以只能借助 vector 进行排序。

又因为当不同的单词有相同的出现频率时，按字典顺序排序，所以必须使用稳定排序，即 stable_sort。

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