初学C++高效容器 —— map和set

文章目录

前言：
关联式容器与序列式容器：
- 键值对：
set：
- set的介绍：
- set的使用：
map：

前言：

很久没有继续写C++了，主要还是之前学习Linux学习学上瘾了，搞了差不多有4个月的Linux博客，是时候回来学会C++了。但其实我们在学习C++后期会使用到操作系统的线程这一概念，包括后面所需要做的项目，都需要我们有C++和操作系统的基础，两个部分都已经接近了尾声，后续我们就会同步进行学习，相辅相成。

本章的内容可以说是两个神器，未来我们在写算法题的时候运用我们今天所学习的内容，将会特别爽！

前一章的C++学习，我们是来讨论了下二叉搜索树的Value和K-Value模型，不知道大家还有没有印象？如果没有印象了可以看看我上一章的博客，跳转界面------> 手撕《二叉搜索树》

本章要学习的是C++中STL库中的两个神奇容器------set和map，但是本章我们并不会讲解模拟实现，因为本质上这两个容器的底层数据结构都是红黑树，对于这一数据结构我们很快就会进行讲解，今天主要来介绍介绍功能以及一些细节上的处理，同时也为后续做铺垫。

关联式容器与序列式容器：

++序列式容器++我们并不陌生，其实我们之前学习的vector/list/deque...这些都是单纯用来存储数据的，而这些所存储的数据之间并没有任何的关联。
++关联性容器++就是我们本章的学习内容map和set，它们不仅仅是用来存储数据的，一班还可以查找数据，存储的数据和数据之间具有很强的关联性。就比如我们在实现二叉搜索树模拟实现的K-Val模型，就是一个类似字典的一个小数据结构。

键值对：

而这个K-Val模型，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。

因此我们在这里就会提到一个额外小的STL结构：pair

c++ 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)
    {}
};

set：

set的介绍：

翻译：

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

set的使用：

T: set中存放元素的类型，实际在底层存储<value, value>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。

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

修改：

主要用的就是这几个了，大部分情况下都是利用set来时先去重和排序的操作。下面我们来简单的使用以下set：

c++ 复制代码

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[0]));
    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;
}

map：

map的介绍：

翻译：

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<const key, T> 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))。

map的使用:

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

构造：

函数声明功能介绍

map() 构造一个空的map

函数声明	功能介绍
map()	构造一个空的map

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

问题：当key不在map中时，通过operator获取对应value时会发生什么问题？

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

关于operator[]?

在这里需要提一点，对于set来说它是不支持方括号[]的访问的，而map是支持的。

并且map重载的operator[]功能是真的很强大，首先我们来举个例子：

c++ 复制代码

void test_map()
{
	map<string, int> fruit_account;
	vector<string> fruit { "苹果", "草莓", "香蕉", "草莓", "橘子", "西瓜", "哈密瓜", "百香果", "西瓜", "小苹果"};
	for (const auto& e : fruit)
	{
		fruit_account[e]++;
	}
	for (const auto& e : fruit_account)
	{
		cout << e.first << "=>" << e.second << endl;
	}
}

我们不难看出map的方括号自动帮我们计数了。

本质上，是由于在重载[]的时候实现了这行代码：

(*((this->insert(make_pair(k,mapped_type()))).first)).second

要想理解这个代码，首先我们得先来接介绍insert接口

insert接口：

pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);

value_type就是pair容器，只是经过typedef过的。

文档的解释翻译过来就是说：

当你在调用insert时是选择传递一个pair时，结果会返回一个pair<iterator,bool>类型的返回值，这个返回值pair的first会看看map里是否存在val.first，如果存在作为返回值的pair的first是个迭代器，会指向已经存在的pair，并且这个返回值pair的second会设置成false。

若是不存在，则会新插入一个，并且返回值pair的first迭代器会指向新插入进来的"节点"，并且second设置成true。

The single element versions (1) return a pair, with its member pair::first set to an iterator pointing to either the newly inserted element or to the element with an equivalent key in the map. The pair::second element in the pair is set to true if a new element was inserted or false if an equivalent key already existed.

既然这样我们再回到关于[]的重载。

这也就是为什么我们在insert内部调用了make_pair函数，生成一个pair，然后再要获取它的first，因为first就是指向map内部的指定pair的迭代器，不管你插入成功没有我都会指向你输入的key对应的pair。

找到了对应pair的地址，我们只需要进行解引一下，就能获取这个pair对应的second是多少了，而且这里有一个重点我是需要补充一下，就是在make_pair这里，它传递的参数是make_pair(k,mapped_type())

而mapped_type就是你seconde的类型，如果你的seconde是int类型，那你在make_pair时就会传递int()，这个本质也是一个构造，只是它默认将数值初始化为0了！

也就是说，如果我调用[]时，你的map里没有一个对应的pair，那你在插入map就会默认初始化second成0，也就是说我拿到的就是一个新创建的key。

而存在那我就默认拿到已经存在于map里的pair的second，这是由于insert的返回值决定的！

所以我们可以大量使用[]，因为它是真的很好用！

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

c++ 复制代码

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(logN)
支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找
关于multiset和mutimap本质就是支持冗余，记住这个就好。

与map/multimap不同，map/multimap中存储的是真正的键值对<key, value>，set中只放value，但在底层实际存放的是由<value, value>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（排序）
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：logN
set中的元素不允许修改
set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现

下来可以试试用map和set做一下一些算法题：

https://leetcode.cn/problems/top-k-frequent-words/description/

https://leetcode.cn/problems/intersection-of-two-arrays/submissions/