STL关联容器：Set/Multiset与Map/Multimap详解

一、序列式容器和关联式容器

我们已经接触到了不少的容器了，如string，vector，list，deque等，这些容器统称为序列式容器 ，因为逻辑结构为线性序列的数据结构，两个位置存储的值之间一般没有紧密的关联联系，比如交换一下数据，它依旧是序列式容器。

关联式容器也是存储数据的，与序列式容器不同的是 ，关联式容器逻辑结构通常是非线性结构，两个位置有紧密的关联联系，交换一下，它的存储结构就被破坏了 。关联式容器有 map/set系列和unordered_map和unordered_set系列。

map和set的底层是红黑树，红黑树是一棵平衡二叉搜索树。set是key搜索场景的结构，map是key、value搜索场景的结构。

二、set

1. set的理性认识

set是一种存储唯一元素并按特定顺序排列的容器。

在set中，元素的值同时充当其标识符，并且每一个值都是唯一的。在set容器中元素的值不能被修改，但是它们可以从容器中插入和删除元素。

T就是set底层关键字的类型 ，默认按照小于比较，如果不符合需求，可以自己传入一个仿函数对象。

set底层存储数据的内存是从空间配置器申请的，如果需要可以自己实现内存池，传给第三个参数。

一般情况下，不需要传入后两个模板参数。

set的底层是红黑树实现的，增删查的效率是O(logN)，迭代器遍历走的是搜索树的中序，所以是有序的。

2. set的接口介绍

//无参的默认构造
set();
//全缺省的默认构造，comp仿函数对象，alloc内存池对象
explicit set (const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());
//用一段迭代器区间去构造
template <class InputIterator>
set (InputIterator first, InputIterator last,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& = allocator_type());
//拷贝构造
set (const set& x);
//用初始化列表构造
set (initializer_list<value_type> il,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());
//赋值运算符重载
set& operator= (const set& x);

3. iterator

//无论是哪一种迭代器，都不能通过迭代器修改元素
//普通迭代器
//begin返回的是一个指向set容器中第一个元素的迭代器
iterator begin();
const_iterator begin() const;
//end返回的是一个指向set容器中最后一个元素之后的位置的迭代器
iterator end();
const_iterator end() const;
//反向迭代器
//rbegin返回的是指向容器中最后一个元素的反向迭代器
reverse_iterator rbegin();
const_reverse_iterator rbegin() const;
//返回的是一个指向set容器中首个元素前一个理论元素的反向迭代器
reverse_iterator rend();
const_reverse_iterator rend() const;

可以看到，set容器的迭代器是一个双向迭代器。

4. capacity

//判空
bool empty() const;
//返回的是set容器中元素的个数
size_type size() const;

5. modifiy

//插入一个val值
pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);
//在pos位置插入一个val(pos位置是一个参考位置)
//这个函数可以起到性能优化，因为不用直接从根节点开始搜索，但
//是插入的位置必须是合格的，否则，该行为可能未定义，也可能导
//致程序崩溃，或者损坏数据结构
//所以，该函数有一定的危险性，建议少用
iterator insert (const_iterator position, const value_type& val)
//插入一段迭代器区间
template <class InputIterator>
void insert (InputIterator first, InputIterator last);
//插入一个初始化列表
void insert (initializer_list<value_type> il);
//删除迭代器pos位置的元素
iterator  erase (const_iterator position);
//删除val指定的元素
size_type erase (const value_type& val);
//删除迭代器区间包含的所有的元素
iterator  erase (const_iterator first, const_iterator last);
//交换两个set容器对象的内容
void swap (set& x);
//删除set容器中所有的元素
void clear() noexcept;
//返回一个在容器中使用的比较对象的拷贝，默认情况下，是一个less对象
key_compare key_comp() const;
//在set容器中，key_comp和value_comp是等价的
value_compare value_comp() const;

6. operations

//如果找到的话，返回一个指向和val相等的元素的迭代器，否则，返回set::end()
const_iterator find (const value_type& val) const;
iterator find (const value_type& val);
//返回在set容器中和val元素相等的元素的个数
//由于set容器中所有的元素都是唯一的，因此该函数的返回值只有0或者1
size_type count (const value_type& val) const;
//返回一个迭代器，该迭代器指向在set容器中第一个不小于val的元素
iterator lower_bound (const value_type& val);
const_iterator lower_bound (const value_type& val) const;
//返回一个迭代器，该迭代器指向在set容器中第一个大于val的元素
iterator upper_bound (const value_type& val);
const_iterator upper_bound (const value_type& val) const;
//返回的是在set容器中和val值相等的元素的区间范围
//由于set容器中所有的元素都是唯一的，所以这个范围最多只包含一个元素
//如果没有匹配到，这个范围的长度为0，这两个迭代器指向val之后的第一个元素
pair<const_iterator,const_iterator> equal_range (const value_type& val) const;
pair<iterator,iterator> equal_range (const value_type& val);

注 ：算法库里也有一个find函数，set里也有一个find函数，那么这两个find函数有什么区别呢？

算法库里的

可以看到，算法库里的find函数是基于迭代器进行查找的，也就是暴力查找，一个一个去遍历。

而set里的find函数是基于二叉搜索树的规则进行查找，查找值比当前节点值大，往右子树查找，比当前节点值小，往左子树查找。只需要查找高度次（O(logN)）。

7. multiset和set的差异

multiset也是一种按照特定顺序存储元素的容器，但是它允许插入多个重复的元素（数据冗余）。

multiset和set的差异在于以下几个函数：insert、find、count、erase。

insert函数支持值冗余，find函数会返回中序的第一个，count函数返回查找值实际的个数，erase删除所有指定的值。

三、map

map也是一个关联式容器，它的存储元素包含 key value和mapped value，它也是按照特定的顺序排序的。

在map中，key value通常是用来排序的并且作为唯一的标识符标识该元素，而mapped value是key value关联的存储内容。key value和mapped value组合在一起形成一个新的类型value_type，其实就是pair类型。

key value就是第一个模板参数，mapped value就是第二个模板参数。

首先在学习map之前，需要了解pair类型。

该类将一对可能类型不同（T1和T2）的值组合在一起，可通过它的公有成员 first 和 second 访问各个值。

T1就是 first成员的类型， T2就是 second成员的类型。

//无参的默认构造
pair();
//泛化拷贝构造
template<class U, class V> pair (const pair<U,V>& pr);
//初始化构造
pair (const first_type& a, const second_type& b);
//用x设置pair的第一个元素，y设置它的第二个元素
template <class T1, class T2>
pair<T1,T2> make_pair (T1 x, T2 y);

1. map的构造

//全缺省的默认构造
explicit map (const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());
//用一段迭代器区间构造
template <class InputIterator>
map (InputIterator first, InputIterator last,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& = allocator_type());
//拷贝构造
map (const map& x);
//用初始化列表去构造
map (initializer_list<value_type> il,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());

2. operator=

//用另一个map对象赋值
map& operator= (const map& x);
//用初始化列表进行赋值
map& operator= (initializer_list<value_type> il);

3. iterator

//返回的是一个指向map容器中第一个元素的迭代器
//如果容器为空，返回的迭代器值不应被解引用
iterator begin() noexcept;
const_iterator begin() const noexcept;
//返回的是一个指向map容器中最后一个元素之后位置的迭代器
iterator end() noexcept;
const_iterator end() const noexcept;
//返回的是一个指向容器中最后一个元素的迭代器
reverse_iterator rbegin() noexcept;
const_reverse_iterator rbegin() const noexcept;
//返回的是一个指向容器中第一个元素前一个位置的迭代器
reverse_iterator rend() noexcept;
const_reverse_iterator rend() const noexcept;

4. capacity

//判空
bool empty() const noexcept;
//返回的是map容器中元素的个数
size_type size() const noexcept;

5. operator[]

//如果在容器中匹配到了和k一样的元素，这个函数返回它的mapped value的引用
//如果没有匹配成功，这个函数会用k插入一个新的元素并且返回它的mapped value的引用
mapped_type& operator[] (const key_type& k);

6. modifiy

//插入一个val
//插入成功，迭代器指向新插入的元素，否则指向已经存在的元素
pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);
//在pos位置插入值val,pos位置只是一个参考位置
iterator insert (const_iterator position, const value_type& val);
//插入一段迭代器区间
template <class InputIterator>
void insert (InputIterator first, InputIterator last);
//插入一个初始化列表
void insert (initializer_list<value_type> il);
//删除迭代器指向位置的元素
iterator  erase (const_iterator position);
//删除指定参数k的元素
size_type erase (const key_type& k);
//删除一段迭代器区间
iterator  erase (const_iterator first, const_iterator last);
//交换两个map对象的内容
void swap (map& x);
//删除map容器中所有的元素
void clear() noexcept;
//返回一个map中用来比较对象的拷贝，比较对象的参数类型是key_type,默认情况下是一个less对象
key_compare key_comp() const;
//也是返回一个比较对象，这个对象的参数类型是value_type，但
//是在比较过程中不会考虑mapped_type部分。
value_compare value_comp() const;

7. operations

//如果找到的话，返回一个指向该元素的迭代器，否则返回map::end()
iterator find (const key_type& k);
const_iterator find (const key_type& k) const;
//返回在map容器中和k匹配的元素的个数，因为map中所有的元素都是唯一的，只返回1或者0
size_type count (const key_type& k) const;
//返回在map容器中第一个大于等于k元素的迭代器
iterator lower_bound (const key_type& k);
const_iterator lower_bound (const key_type& k) const;
//返回的是在map容器中第一个大于k元素的迭代器
iterator upper_bound (const key_type& k);
const_iterator upper_bound (const key_type& k) const;
//返回的是在map容器中所有和k相等元素的范围边界
//由于map中所有的元素都是唯一的，所以，这个范围最多只包含一个元素
//如果没有找到，该范围的长度为0，两个迭代器都指向大于k的第一个元素
pair<const_iterator,const_iterator> equal_range (const key_type& k) const;
pair<iterator,iterator> equal_range (const key_type& k);

四、multimap和map的差异

multimap也是一个关联式容器，与map的不同点在于multimap支持数据冗余。

multimap和map的使用基本类似 ，主要区别点在于 是否支持关键值key冗余，在insert、find、count、erase函数有所差异，这里跟multiset和set是一样的 。其次multimap不支持[]，因为支持key冗余，[]只能支持插入了，不支持修改。