C++-----set和map的模拟使用

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前言

今天是十月一日，也是祖国母亲的生日，五星闪耀皆为华夏，色彩斑斓的秋天，最耀眼的是中国红！！！

祝伟大的祖国母亲73岁生日快乐，愿祖国更加繁荣昌盛！！！

本来这篇博客打算中午去写，赶上了今天中午女篮和美国的决赛，可能有很多的因素，输掉了这场比赛，但我认为女篮虽败永荣，为国争光！！！继续加油！！！

接下来，讲讲关于本章的内容，今天主要来讲讲关于set和map的简单使用，先来了解这两个容器的简单接口和使用，到了下篇文章，我来基于AVL树和红黑树来介绍关于set和map的简单模拟实现。

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​​正文开始​​

一、关联式容器

在初阶阶段，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<key, value>结构的键值对，在数据检索时比序列式容器效率更高.

二、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：

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)
  {}
};

先对pair类型做一下简单了解，后面我们将会详细的了解！

三、树形结构的关联式容器

根据应用场景的不桶，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的文档介绍！​​

翻译：

1. set是按照一定次序存储元素的容器
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. set在底层是用二叉搜索树(红黑树)实现的。
   注意：
6. 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。
7. set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。
8. set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)。
9. 使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列
10. set中的元素默认按照小于来比较
11. set中查找某个元素，时间复杂度为：$log_2 n$
12. set中的元素不允许修改(为什么?)
13. 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<value, value>的键值对。
Compare：set中元素默认按照小于来比较
Alloc这是一个空间配置器，暂时可能用不到，了解即可

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, constCompare& 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_iteratorcrbegin() const	返回set第一个元素的反向const迭代器，即cend
const_reverse_iteratorcrend() 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<x, x>构成的键值对，如果插入成功，返回<该元素在set中的位置，true>,如果插入失败，说明x在set中已经存在，返回<x在set中的位置，false>
void erase ( iterator position )	删除set中position位置上的元素size_type erase ( constkey_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 ( constkey_type& x )	const 返回set中值为x的元素的位置
size_type count ( constkey_type& x )	const 返回set中值为x的元素的个数

6. set的使用举例

#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(int));
  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的文档介绍！！！​​

翻译：

1. 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。
2. 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;
3. 在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的。
4. 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)。
5. 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。
6. 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
注意：在使用map时，需要包含头文件

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[] (constkey_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。

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 ( constkey_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 ( constkey_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 ( constkey_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

6. map的使用举例

#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】

1. map中的的元素是键值对
2. map中的key是唯一的，并且不能修改
3. 默认按照小于的方式对key进行比较
4. 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
5. map的底层为平衡搜索树(红黑树)，查找效率比较高$O(log_2 N)$
6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找.

3.3 multiset

3.4.1 multiset的介绍

​​multiiset的文档介绍！！！​​

[翻译]：

1. 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。
2. 在multiset中，元素的value也会识别它(因为multiset中本身存储的就是<value, value>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。
3. 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。
4. 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。
5. multiset底层结构为二叉搜索树(红黑树)。
   注意：
6. multiset中再底层中存储的是<value, value>的键值对
7. multiset的插入接口中只需要插入即可
8. 与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的
9. 使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列
10. multiset中的元素不能修改
11. 在multiset中找某个元素，时间复杂度为$O(log_2 N)$
13. multiset的作用：可以对元素进行排序

3.3.2 multiset的使用

void Testmultiset()
{
  int array[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 7 ,1,1,1,5,3};
  // 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;
}

在这里只简单演示set与multiset的不同，其他接口接口与set相同，大家可参考set。

3.4 multimap

3.4.1 multimap的介绍

​​multimap文档介绍​​

翻译：

1. 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<key,value>，其中多个键值对之间的key是可以重复的。
2. 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<const Key, T> value_type;
3. 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。
4. 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。
5. 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：

1. multimap中的key是可以重复的。
2. multimap中的元素默认将key按照小于来比较
3. multimap中没有重载operator[]操作
4. 使用时与map包含的头文件相同.

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总结

(本章完！)