【C++：map和set的使用】C++ map/multimap完全指南：从红黑树原理入门到高频算法实战

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目录

C++的两个参考文档

[5 ~> 了解map容器](#5 ~> 了解map容器)

[5.1 map与 multimap 概述](#5.1 map与 multimap 概述)

[5.2 map](#5.2 map)

[5.3 multimap](#5.3 multimap)

[5.4 map类的介绍](#5.4 map类的介绍)

[5.5 pair类型介绍](#5.5 pair类型介绍)

[5.6 map和multimap的底层原理浅解](#5.6 map和multimap的底层原理浅解)

[5.6.1 底层原理](#5.6.1 底层原理)

[5.6.2 键不可修改（key），值可修改（value）](#5.6.2 键不可修改（key），值可修改（value）)

[6 ~> map使用层详解](#6 ~> map使用层详解)

[6.1 增删查](#6.1 增删查)

[6.1.1 insert](#6.1.1 insert)

[6.1.2 map的构造](#6.1.2 map的构造)

[6.1.3 map：C++98的插入操作](#6.1.3 map：C++98的插入操作)

[6.1.4 map：C++11的插入操作](#6.1.4 map：C++11的插入操作)

[6.1.5 map的key唯一性](#6.1.5 map的key唯一性)

[6.1.6 遍历方式：迭代器遍历](#6.1.6 遍历方式：迭代器遍历)

[6.1.7 C++11：访问for](#6.1.7 C++11：访问for)

[6.1.8 C++17：结构化绑定](#6.1.8 C++17：结构化绑定)

[6.1.9 查找操作：find](#6.1.9 查找操作：find)

[6.1.10 查：find](#6.1.10 查：find)

[6.1.11 at](#6.1.11 at)

[6.1.12 count](#6.1.12 count)

[6.1.13 删除（用范围for遍历显示结果）：erase](#6.1.13 删除（用范围for遍历显示结果）：erase)

[6.1.14 博主手记](#6.1.14 博主手记)

[6.2 以字典dict为例，展示词频统计的两种实现方式](#6.2 以字典dict为例，展示词频统计的两种实现方式)

[6.2.1 查找 + 插入](#6.2.1 查找 + 插入)

[6.2.2 利用operator[ ]搞定dict查找](#6.2.2 利用operator[ ]搞定dict查找)

[6.3 map和multimap的差异](#6.3 map和multimap的差异)

[6.4 map的数据修改](#6.4 map的数据修改)

[6.5 operator[ ]（重点）](#6.5 operator[ ]（重点）)

[6.5.1 插入默认值](#6.5.1 插入默认值)

[6.5.2 插入 + 修改](#6.5.2 插入 + 修改)

[6.5.3 修改已存在的值](#6.5.3 修改已存在的值)

[6.5.4 查找](#6.5.4 查找)

[6.6 at()](#6.6 at())

[6.6.1 修改存在的 key](#6.6.1 修改存在的 key)

[6.6.2 访问不存在的 key（抛异常）](#6.6.2 访问不存在的 key（抛异常）)

[6.7 对比：operator[ ] VS at( )](#6.7 对比：operator[ ] VS at( ))

[7 ~> map算法题实战](#7 ~> map算法题实战)

[7.1 随机链表的复制](#7.1 随机链表的复制)

[7.1.1 图解题给示例](#7.1.1 图解题给示例)

[7.1.2 算法实现](#7.1.2 算法实现)

[7.1.3 博主手记](#7.1.3 博主手记)

[7.2 前K个高频单词](#7.2 前K个高频单词)

[7.2.1 题目理解](#7.2.1 题目理解)

[7.2.2 算法实现](#7.2.2 算法实现)

[7.2.2.1 写法1](#7.2.2.1 写法1)

[7.2.2.2 写法2](#7.2.2.2 写法2)

[7.2.2.3 写法3](#7.2.2.3 写法3)

[8 ~> 本文博主手记](#8 ~> 本文博主手记)

完整代码示例与实践演示

Test.cpp：

运行演示

Test_map1()

Test_map2()

Test_map3()

结尾

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C++的两个参考文档

老朋友（非官方文档）：cplusplus

官方文档（同步更新）：cppreference
map和multimap的参考文档：map、multimap****

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5 ~> 了解map容器

5.1 map与 multimap 概述

map和multimap是C++STL中常用的关联容器，底层基于红黑树实现，支持高效的查找、插入和删除操作。

5.2 map

map的参考文档：map****

5.3 multimap

multimap的参考文档：************multimap****************

5.4 map类的介绍

map的声明如下，Key就是map底层关键字的类型，T是map底层value的类型，set默认要求Key支持小于比较，如果不支持或者需要的话可以自行实现仿函数传给第二个模版参数，map底层存储数据的内存是从空间配置器申请的。一般情况下，我们都不需要传后两个模版参数。map底层是用红黑树实现，增删查改效率是O（logN），迭代器遍历是走的中序，所以是按key有序顺序遍历的。

两条直线相交，其中一条直线上有一个点A，过点A作与另一条直线的垂线，焦点是B------

A点和直线上的B也可以是成映射关系。

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;

5.5 pair类型介绍

map底层的红黑树节点中的数据，使用pair<Key，T>存储键值对数据。

typedef pair<const Key, T> value_type;
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 U, class V>
	pair(const pair<U, V>& pr) : first(pr.first), second(pr.second)
	{}
};

template <class T1, class T2>
inline pair<T1, T2> make_pair(T1 x, T2 y)
{
	return (pair<T1, T2>(x, y));
}

5.6 map和multimap的底层原理浅解

5.6.1 底层原理

map和multimap底层使用红黑树（平衡二叉搜索树）实现。

5.6.2 键不可修改（key），值可修改（value）

typedef std::pair<const Key, T> value_type;

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6 ~> map使用层详解

6.1 增删查

map增接口，插入的pair键值对数据，跟set所有不同，但是查和删的接口只用关键字key跟set是完全类似的，不过find返回iterator，不仅仅可以确认key在不在，还找到key映射的value，同时通过迭代还可以修改value。

6.1.1 insert

上面是C++98标准的插入操作，下面是C++11的插入操作。

6.1.2 map的构造

map对象的构造------

6.1.3 map：C++98的插入操作

插入操作的多种方式------

C++98风格的插入 ------ 构造pair对象插入：

6.1.4 map：C++11的插入操作

C++11风格的插入 ------ 使用初始化列表：

6.1.5 map的key唯一性

这个插入会失败，因为"left"已存在，所以不会再插入。

6.1.6 遍历方式：迭代器遍历

再举个例子------

for (auto it = dict.begin(); it != dict.end(); ++it) 
{
    std::cout << it->first << ": " << it->second << std::endl;
}

6.1.7 C++11：访问for

6.1.8 C++17：结构化绑定

6.1.9 查找操作：find

6.1.10 查：find

auto it = dict.find("key");
if (it != dict.end()) 
{
    // 找到
}

6.1.11 at

6.1.12 count

// 查找k，返回k所在的迭代器，没有找到返回end() 
iterator find (const key_type& k);
// 查找k，返回k的个数 
size_type count (const key_type& k) const;

6.1.13 删除（用范围for遍历显示结果）：erase

auto pos = dict.find("left");
if (pos != dict.end()) 
{
    dict.erase(pos);
}

也可直接通过键删除------

dict.erase("left");

6.1.14 博主手记

6.2 以字典dict为例，展示词频统计的两种实现方式

6.2.1 查找 + 插入

// 查找 + 插入组合
map<string, int> countMap;
for (auto& e : arr)
{
    auto it = countMap.find(e);
    if (it != countMap.end())
    {
        it->second++;  // 存在则递增
    }
    else
    {
        countMap.insert({ e,1 });  // 不存在则插入
    }
}

存在时直接通过迭代器修改value（second），不存在时使用insert插入新的pair。

6.2.2 利用operator[ ]搞定dict查找

	// 利用 operator[] 的特性
	for (auto e : arr)
	{
		countMap[e]++;
	}

6.3 map和multimap的差异

multimap和map的使用基本完全类似，主要区别点在于multimap支持关键值key冗余，那么insert / find / count / erase都围绕着支持关键值key冗余有所差异，这里跟set和multiset完全一样，比如find时，有多个key，返回中序第一个。其次就是multimap不支持[]，因为支持key冗余，[ ]就只能支持插入了，不能支持修改。

6.4 map的数据修改

前面艾莉丝提到map支持修改mapped_type数据，不支持修改key数据，修改关键字数据，破坏了底层搜索树的结构。map第一个支持修改的方式时通过迭代器，迭代器遍历时或者find返回key所在的iterator修改，map还有一个非常重要的修改接口operator[]，但是operator[]不仅仅支持修改，还支持插入数据和查找数据，所以他是一个多功能复合接口需要注意从内部实现角度，map这里把我们传统说的value值，给的是T类型，typedef为mapped_type。而value_type是红黑树结点中存储的pair键值对值。日常使用中，我们还是习惯将这里的T映射值叫做value。

Member types
key_type->The first template parameter(Key)
mapped_type->The second template parameter(T)
value_type->pair<const key_type, mapped_type>

// 查找k，返回k所在的迭代器，没有找到返回end()，
// 如果找到了通过iterator可以修改key对应的mapped_type值
iterator find(const key_type& k);
// 文档中对insert返回值的说明 
// 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.
// insert插⼊⼀个pair<key, T>对象 
// 1、如果key已经在map中，插⼊失败，则返回⼀个pair<iterator,bool>对象，
// 返回pair对象first是key所在结点的迭代器，second是false
// 2、如果key不在在map中，插⼊成功，则返回⼀个pair<iterator,bool>对象，
// 返回pair对象first是新插⼊key所在结点的迭代器，second是true
// 也就是说无论插入成功还是失败，返回pair<iterator,bool>对象的first都会指向key所在的迭代器
// 那么也就意味着insert插⼊失败时充当了查找的功能，正是因为这⼀点，insert可以⽤来实现
operator[]
// 需要注意的是这⾥有两个pair，不要混淆了，⼀个是map底层红⿊树节点中存的pair<key, T>，
// 另⼀个是insert返回值pair<iterator, bool>

pair<iterator, bool> insert(const value_type& val);
mapped_type& operator[] (const key_type& k);

// operator的内部实现 
mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{
	// 1、如果k不在map中，insert会插⼊k和mapped_type默认值，
	// 同时[]返回结点中存储mapped_type值的引⽤，那么我们可以通过引用修改返映射值。所以[]具备了插入 + 修改功能
	// 2、如果k在map中，insert会插⼊失败，但是insert返回pair对象的first是指向key结点的迭代器，
	// 返回值同时[]返回结点中存储mapped_type值的引用，所以[]具备了查找 + 修改的功能
	pair<iterator, bool> ret = insert({ k, mapped_type() });
	iterator it = ret.first;
	return it->second;
}

6.5 operator[ ]（重点）

文档链接：operator[]

6.5.1 插入默认值

// 插入
dict["sort"];  // 插入 {"sort", ""}，string 默认构造为空字符串

6.5.2 插入 + 修改

// 插入 + 修改
dict["left"] = "左边";  // 插入 {"left", "左边"}

6.5.3 修改已存在的值

// 查找
cout << dict["sort"] << endl; // 修改已存在的 key 的 value

6.5.4 查找

// 查找
cout << dict["sort"] << endl;  // 如果不存在会插入空字符串！

6.6 at()

6.6.1 修改存在的 key

dict.at("left") = "xxxxxxxxxx";  // 安全修改

6.6.2 访问不存在的 key（抛异常）

// dict.at("insert") = "xxxxxxxxxx";  // 抛出 std::out_of_range 异常

6.7 对比：operator[ ] VS at( )

特性	operator[]	at()
key 不存在时	自动插入默认值	抛出 std::out_of_range 异常
返回值	value 的引用	value 的引用
使用场景	需要自动插入的场景	确保 key 存在的安全访问
性能	稍快（无异常检查）	稍慢（有边界检查）

---

7 ~> map算法题实战

7.1 随机链表的复制

力扣链接：138. 随机链表的复制

力扣题解链接：原链表基础上拷贝节点、置random指针、断开新旧链表解决随机链表的复制

题目描述：

7.1.1 图解题给示例

数据结构初阶阶段，为了控制随机指针，我们将拷贝结点链接在原节点的后面解决，后面拷贝节点还得解下来链接，非常麻烦。这里我们直接让{原结点，拷贝结点}建立映射关系放到map中，控制随机指针会非常简单方便，这里体现了map在解决一些问题时的价值，完全是降维打击。

7.1.2 算法实现

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* next;
    Node* random;
    
    Node(int _val) {
        val = _val;
        next = NULL;
        random = NULL;
    }
};
*/

class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        map<Node*,Node*> nodeMap;
        Node* copyhead =nullptr,*copytail = nullptr;
        Node* cur= head;
        while(cur)
        {
            Node* copy=new Node(cur->val);
            // 尾随
            if(copytail == nullptr)
            {
                copyhead = copytail=copy;
            }
            else
            {
                copytail->next=copy;
                copytail=copy;
            }

            nodeMap.insert({cur,copy});

            cur=cur->next;
        }

        cur = head;
        Node* copy = copyhead;
        while(cur)
        {
            if(cur->random == nullptr)
            {
                copy->random = nullptr;
            }
            else
            {
                copy->random = nodeMap[cur->random];
            }

            cur = cur->next;
            copy = copy->next;
        }

        return copyhead;
    }
};

时间复杂度：O(n)，空间复杂度：O(n)。

7.1.3 博主手记

本题整个的思路、算法原理、解题过程博主在纸上推导了一遍，大家可以参考一下手记的推导过程！最好做题的过程中自己也推导一遍！！！自己能够推导很重要！

7.2 前K个高频单词

力扣链接：692. 前K个高频单词

力扣题解链接：三种写法解决【前K个高频单词】

题目描述：

7.2.1 题目理解

本题目我们利用map统计出次数以后，返回的答案应该按单词出现频率由高到低排序，有一个特殊要求，如果不同的单词有相同出现频率，按字典顺序排序。

7.2.2 算法实现

7.2.2.1 写法1

用排序找前k个单词，因为map中已经对key单词排序过，也就意味着遍历map时，次数相同的单词，字典序小的在前面，字典序大的在后面。那么我们将数据放到vector中用一个稳定的排序就可以实现上面特殊要求，但是sort底层是快排，是不稳定的，所以我们要用stable_sort，他是稳定的。

// 方法1
class Solution {
public:
    struct kv_pair 
    {
        bool operator()(const pair<string, int>& kv1,const pair<string, int> kv2)     
        {
            return kv1.second > kv2.second;
        }
    }; 
    
    vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) {
        map<string, int> countMap;
        for(auto& str : words) 
        {
            countMap[str]++;
        }

        // multimap<int,string> sortMap;
        // 降序
        vector<pair<string, int>> v(countMap.begin(), countMap.end());
        // sort(v.begin(),v.end(),kv_pair());
        // 稳定的排序
        stable_sort(v.begin(), v.end(), kv_pair());

        for (auto& [k, v] : v) 
        {
            cout << k << ":" << v << endl;
        }
        cout << endl;

        vector<string> ret;
        for (size_t i = 0; i < k; ++i) {
            ret.push_back(v[i].first);
        }

        return ret;
    }
};

时间复杂度：O(nlogn)，空间复杂度：O(n)。

7.2.2.2 写法2

自己实现一个仿函数，控制比较逻辑。

将map统计出的次数的数据放到vector中排序，或者放到priority_queue中来选出前k个。利用仿函数强行控制次数相等的，字典序小的在前面。

次数大的在前面，次数相等的、字典序小的在前面------

// 方法2
class Solution {
public:
    // 自己实现一个仿函数，控制比较逻辑
    struct kv_pair
    {
        // 次数大的在前面，次数相等的、字典序小的在前面
        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) {
        for(auto& str : words)
        {
            countMap[str]++;
        }

        // multimap<int,string> sortMap;
        // 降序
        vector<pair<string,int>> v(countMap.begin(),countMap.end());
        sort(v.begin(),v.end(),kv_pair);

        for(auto& [k,v] : v)
        {
            cout<< k << ":" << v << endl;
        }
        cout << endl;

        vector<string> ret;
        for(size_t i = 0;i < k;++i)
        {
            ret.push_back(v[i].first);
        }

        return ret;
    }
};

时间复杂度：O(nlogn)，空间复杂度：O(n)。

7.2.2.3 写法3

使用优先级队列，大堆提供的小于的比较逻辑。

次数大的在前面，次数相等的，字典序小的在前面------

// 方法3
class Solution {
public:
    struct kv_pair{
        // 次数大的在前面，次数相等的，字典序小的在前面
        // 优先级队列，大堆提供的小于的比较逻辑
        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> countMap;
        for(auto& str : words)
        {
            countMap[str]++;
        }

        // 大堆
        priority_queue<pair<string,int>,vector<pair<string,int>>,
        kv_pair> pq(countMap.begin(),countMap.end());

        vector<string> ret;
        for(size_t i = 0;i < k;++i)
        {
            ret.push_back(pq.top().first);
            pq.pop();
        }

        return ret;
    }
};

时间复杂度：O(nlogn)，空间复杂度：O(n)。

---

8 ~> 本文博主手记

下面这里博主手记的墨水旋开了，uu们先凑合凑合看一下，内容和本文大体一致------

---

完整代码示例与实践演示

Test.cpp：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS  1

#include<iostream>
#include<map>
#include<string>
using namespace std;

void Test_map1()
{
	map<string, string> dict;
	// C++98
	pair<string, string> kv1("sort", "排序");
	dict.insert(kv1);
	dict.insert(pair<string, string>("left", "左边"));
	dict.insert(make_pair("pair", "左边"));

	// C++11
	dict.insert({ "right","右边" });
	//dict.insert({ kv1,pair<string,string>("left","左边") });
	dict.insert({ { "string","字符串" }, { "map","地图,映射" } });

	// key相同就不会再插入，value不相同也不会插入
	dict.insert({ "left","左边xxxx" });

	map<string, string>::iterator it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		//cout << it.operator->()first << ":" << it.operator->()second << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;

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

	// 结构化绑定 C++17
	auto [x, y] = kv1;

	// 使用结构化绑定遍历
	//for (auto [k, v] : dict)
	//for (auto& [k, v] : dict)
	for (const auto& [k, v] : dict)
	{
		cout << k << ":" << v << endl;
	}
	cout << endl;


	// 查找和删除
	auto pos = dict.find("left");
	if (pos != dict.end())
	{
		dict.erase(pos);
	}

	// 再次遍历显示结果
	for (const auto& [k, v] : dict)
	{
		cout << k << ":" << v << endl;
	}
	cout << endl;
}

void Test_map2()
{
	string arr[] = { "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 (auto& e : arr)
	{
		auto it = countMap.find(e);
		if (it != countMap.end())
		{
			it->second++;
		}
		else
		{
			countMap.insert({ e,1 });
		}
		countMap[e]++;
	}

	for (auto e : arr)
	{
		countMap[e]++;
	}

	for (auto& [k, v] : countMap)
	{
		cout << k << ":" << v << endl;
	}
	cout << endl;

	map<string, string> dict;
	// 插入
	dict["sort"];

	// 插入 + 修改
	dict["left"] = "左边";

	// 修改
	dict["sort"] = "排序";

	// 查找
	cout << dict["sort"] << endl;

	// 纯粹的查找 + 修改
	// at
	dict.at("left") = "xxxxxxxxxx";
	// key不存在，会抛异常
	dict.at("insert") = "xxxxxxxxxx"; 
	//报错
	// 0x00007FF9E4CE837A处(位于 map的使用.exe 中)
	// 有未经处理的异常: Microsoft C++ 
	// 异常 : std::out_of_range（抛异常），位于内存位置 0x000000279D0FEBE0处。

}

void Test_map3()
{
	multimap<string, string>dict;
	dict.insert({ "right","右边" });
	dict.insert({ "left","左边" });
	dict.insert({ "right","右边xxx" });
	dict.insert({ "right","右边" });

	for (const auto& [k, v] : dict)
	{
		cout << k << ":" << v << endl;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Test_map1();
	//Test_map2();
	//Test_map3();

	return 0;
}

运行演示

Test_map1()

Test_map2()

Test_map3()

---

结尾

往期回顾：

【C++：map和set的使用】C++STL容器详解：set容器从使用到高频算法题实战

结语：都看到这里啦！那请大佬不要忘记给博主来个"一键四连"哦！

🗡博主在这里放了一只小狗，大家看完了摸摸小狗放松一下吧！🗡

૮₍ ˶ ˊ ᴥ ˋ˶₎ა