C++ map和set的应用

1. 关联式容器

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。那什么是关联式容器？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，其里面存储的是结构的键值对，在数据检索时比序列式容器效率更高。

2. 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)
{}
};

3. 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。下面一依次介绍每一个容器。

3.1 set

3.1.1 set的介绍

set文档

set是按照一定次序存储元素的容器；
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(元素总是const)，但是可以从容器中插入或删除它们；
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；
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；
set在底层是用二叉搜索树(红黑树)实现的。

注意：

与map/multimap不同，map/multimap中存储的是真正的键值对，set中只放 value，但在底层实际存放的是由构成的键值对；
set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对；
set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)；
使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列；
set中的元素默认按照小于来比较；
set中查找某个元素，时间复杂度为：log_2 n；
set中的元素不允许修改(为什么?)；
set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

3.1.2 set的使用

1. set的模板参数列表

T: set中存放元素的类型，实际在底层存储的键值对；

Compare：set中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。

2. set的构造

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|------------------------------|
| 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. set的迭代器

|----------------------------------------|---------------------------------------|
| 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 |

4.set的容量

|------------------------|----------------------------|
| 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 |

5. set修改操作

|---------------------------------------------------------|------------------------------------------------------------|
| 函数声明 | 功能介绍 |
| pair <iterator, bool> insert ( const value_type& x ) | 在set中插入元素x，实际插入的是构成的键值对，如果插入成功，返回,如果插入失败，说明x在set中已经存在，返回 |
| 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 |

6. set的使用举例

cpp 复制代码

#include <set>
void TestSet()
{
    // 用数组array中的元素构造set
    int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0, 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 
6, 8, 0 };
 set<int> s(array, array+sizeof(array)/sizeof(array));
 cout << s.size() << endl;
 // 正向打印set中的元素，从打印结果中可以看出：set可去重
 for (auto& e : s)
 cout << e << " ";
 cout << endl;
 // 使用迭代器逆向打印set中的元素
 for (auto it = s.rbegin(); it != s.rend(); ++it)
 cout << *it << " ";
 cout << endl;
 // set中值为3的元素出现了几次
 cout << s.count(3) << endl;
}

3.2 map

3.2.1 map的介绍

map文档

map是关联容器，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；
在map中，键值key通常用于排序和惟一地标识元素，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 value_type;
在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的；
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)；
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；
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))。

3.2.2 map的使用

1. map的模板参数说明

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；

2. map的构造

|---------------|-----------|
| 函数声明 | 功能介绍 |
| map() | 构造一个空的map |

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 |

4. map的容量与元素访问

|-------------------------------------------------|----------------------------------|
| 函数声明 | 功能简介 |
| 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) | 返回去key对应的value |

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，返回该默认value，at()函数直接抛异常。

5. map中元素的修改

|---------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------|
| 函数声明 | 功能简介 |
| 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代表释放插入成功 |
| 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，找到返回该元素的位置的迭代器，否则返回end |
| const_iterator find ( const key_type& x ) const | 在map中插入key为x的元素，找到返回该元素的位置的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 |

cpp 复制代码

#include <string>
#include <map>
void TestMap()
{
 map<string, string> m;
 // 向map中插入元素的方式：
 // 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用pair直接来构造键值对
 m.insert(pair<string, string>("peach", "桃子"));
 // 将键值对<"peach","桃子">插入map中，用make_pair函数来构造键值对
 m.insert(make_pair("banan", "香蕉"));
 
 // 借用operator[]向map中插入元素
    /*
 operator[]的原理是：
  用<key, T()>构造一个键值对，然后调用insert()函数将该键值对插入到map中
  如果key已经存在，插入失败，insert函数返回该key所在位置的迭代器
  如果key不存在，插入成功，insert函数返回新插入元素所在位置的迭代器
  operator[]函数最后将insert返回值键值对中的value返回
 */
    // 将<"apple", "">插入map中，插入成功，返回value的引用，将"苹果"赋值给该引
用结果，
 m["apple"] = "苹果";
 // key不存在时抛异常
//m.at("waterme") = "水蜜桃";
 cout << m.size() << endl;
 // 用迭代器去遍历map中的元素，可以得到一个按照key排序的序列
 for (auto& e : m)
 cout << e.first << "--->" << e.second << endl;
 cout << endl;
 // map中的键值对key一定是唯一的，如果key存在将插入失败
 auto ret = m.insert(make_pair("peach", "桃色"));
 if (ret.second)
 cout << "<peach, 桃色>不在map中, 已经插入" << endl;
 else
 cout << "键值为peach的元素已经存在：" << ret.first->first << "--->"
<< ret.first->second <<" 插入失败"<< endl;
 // 删除key为"apple"的元素
 m.erase("apple");
 if (1 == m.count("apple"))
 cout << "apple还在" << endl;
 else
 cout << "apple被吃了" << endl;
}

【总结】

map中的的元素是键值对;
map中的key是唯一的，并且不能修改;
默认按照小于的方式对key进行比较;
map中的元素如果用迭代器去遍历，可以得到一个有序的序列;
map的底层为平衡搜索树(红黑树)，查找效率比较高O(log_2 N);
支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

3.3 multiset

3.3.1 multiset的介绍

multiset文档

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；
在multiset中，元素的value也会识别它(因为multiset中本身存储的就是组成的键值对，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；
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；
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；
multiset底层结构为二叉搜索树(红黑树)。

注意：

multiset中再底层中存储的是的键值对；
mtltiset的插入接口中只需要插入即可；
与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的；
使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列；
multiset中的元素不能修改；
在multiset中找某个元素，时间复杂度为O(log_2 N)；
multiset的作用：可以对元素进行排序。

3.3.2 multiset的使用

cpp 复制代码

#include <set>
void TestSet()
{
  int array[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 7 };
 
 // 注意：multiset在底层实际存储的是<int, int>的键值对
 multiset<int> s(array, array + sizeof(array)/sizeof(array[0]));
 for (auto& e : s)
 cout << e << " ";
 cout << endl;
 return 0;
}

3.4 multimap

3.4.1 multimap的介绍

multimap文档

Multimaps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，其中多个键值对之间的key是可以重复的；
在multimap中，通常按照key排序和惟一地标识元素，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 value_type；
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；
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；
multimap在底层用二叉搜索树(红黑树)来实现。

注意：multimap和map的唯一不同就是：map中的key是唯一的，而multimap中key是可以重复的。

3.4.2 multimap的使用

multimap中的接口可以参考map，功能都是类似的。

注意：

multimap中的key是可以重复的；
multimap中的元素默认将key按照小于来比较；
multimap中没有重载operator[]操作(同学们可思考下为什么?)；
使用时与map包含的头文件相同。

3.5 在OJ中的使用

1.前K个高频单词

cpp 复制代码

class Solution {
public:
    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);
        }
    };

    vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) 
    {
        map<string, int> m;
        for (auto& e : words)
        {
            m[e]++;
        }
        vector<pair<string, int>> v(m.begin(), m.end());
        sort(v.begin(), v.end(), kvCom());
        vector<string> ret;
        vector<pair<string, int>>::iterator it = v.begin();
        while (k--)
        {
            ret.push_back(it->first);
            it++;
        }
        return ret;
    }
};

2.两个数组的交集

cpp 复制代码

class Solution {
public:
    vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {
   // 先去重
        set<int> s1;
        for(auto e : nums1)
       {
            s1.insert(e);
       }
        set<int> s2;
        for(auto e : nums2)
       {
            s2.insert(e);
       }
        
        // set排过序，依次比较，小的一定不是交集，相等的是交集
        auto it1 = s1.begin();
        auto it2 = s2.begin();
        vector<int> ret;
        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;
   }
};