关联式容器

  • 关联式容器的概念
  • 键值对
  • 树形结构的关联式容器
  • map
  • map总结
  • multimap
  • set
  • multiset
  • 要点总结
  • 关联式容器面试题


关联式容器的概念

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。

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)
    {}
};

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。

map

map的介绍

  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 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))。

map的使用

容器操作系统有哪些_容器操作系统有哪些

  • 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(#include < map >)。

map的构造

函数声明

功能介绍

map (const key_compare& comp = key_compare()，

const allocator_type& alloc = allocator_type())

构造一个空的map

template map (InputIterator first, InputIterator last,

const key_compare& comp = key_compare(),

const allocator_type& alloc = allocator_type())

用[first, last)区间中的元素构造map

map (const map& x)

map的拷贝构造

map的迭代器

函数声明

功能简介

iterator begin ()

返回第一个元素的位置

iterator end ()

返回最后一个元素的下一个位置

const_iterator begin () const

返回第一个元素的const迭代器

const_iterator end () const

返回最后一个元素下一个位置的const迭代器

reverse_iterator rbegin()

返回第一个元素位置的反向迭代器即rend

reverse_iterator rend()

返回最后一个元素下一个位置的反向迭代器即rbegin

const_reverse_iterator rbegin() const

返回第一个元素位置的const反向迭代器即crend

const_reverse_iterator rend() const

返回最后一元素下一个位置的反向迭代器即crbegin

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。

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

iterator insert ( iterator position, const value_type& x )

在position位置插入值为x的键值对，返回该键值对在map中的位置，注意:元素不一定必须插在 position位置，该位置只是一个参考

template void insert ( InputIterator first, InputIterator last )

在map中插入[first, last)区间中的元素

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

代码示例

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

int main()
{
    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<"banan", "香蕉">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;   // 3

    // 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;
    //apple--->苹果
    //banan--->香蕉
    //peach--->桃子

    
    // 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;
    //键值为peach的元素已经存在 : peach--->桃子 插入失败
    
    // 删除key为"apple"的元素 
    m.erase("apple");
    if (m.count("apple"))
        cout << "apple还在" << endl;
    else
        cout << "apple被吃了" << endl;
    // apple被吃了

    return 0;
}
map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
  6. 支持[]操作符，operator[]中实际进行插入查找。

multimap

multimap的介绍

  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。

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（因为其中的key是可以重复的，如果使用[key]，编译器无法得知该返回哪个value）
  4. 使用时与map包含的头文件相同

set

set的介绍

  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:

  1. 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。
  2. set中插入元素时，只需要插入value即可，不需要构造键值对。
  3. set中的元素不可以重复(因此可以使用set进行去重)。
  4. 使用set的迭代器遍历set中的元素，可以得到有序序列
  5. set中的元素默认按照小于来比较
  6. set中查找某个元素，时间复杂度为: log2n
  7. set中的元素不允许修改

Set 接口为我们提供了一个 add() 方法，以让我们添加元素。所以我们看一下在其实现类 HashSet 中是如何实现的呢？

我们看 HashSet 中的 add() 方法实现；

public boolean add( E o ) {
	return  map.put(o, PRESENT)==null;
}

map中的key是不允许重复的，所以set中的元素不能重复。

  1. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。

set的模板参数列表

容器操作系统有哪些_迭代器_02

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

set的构造

函数声明

功能简介

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

set的迭代器

函数声明

功能简介

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rend

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crend

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

set的容量

函数声明

功能简介

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

set修改操作

函数声明

功能简介

air<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>

iterator insert ( iterator position, const value_type& x )

在set的position位置插入x，实际插入的是<x, x>构成的键值对，注意:position位置只是参考，x最终不一定在该位置

template void insert ( InputIterator first, InputIterator last );

在set中插入[first, last)区间中的元素

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

代码示例

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

int main()
{
    // 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;   // 10
    // 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;
    // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

    // 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;
    // 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

    // set中值为3的元素出现了几次
    cout << s.count(3) << endl;
    // 1

    return 0;
}

multiset

multiset的介绍

  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:

  1. multiset中再底层中存储的是<value, value>的键值对
  2. mtltiset的插入接口中只需要插入即可
  3. 与set的区别是，multiset中的元素可以重复，set是中value是唯一的
  4. 使用迭代器对multiset中的元素进行遍历，可以得到有序的序列
  5. multiset中的元素不能修改
  6. 在multiset中找某个元素，时间复杂度为：log2n
  7. multiset的作用:可以对元素进行排序

multiset的使用

代码演示set与multiset的不同

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;

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

    return 0;
}
要点总结

set：

set<容器类型，校验规则>

set:
1、自动排序
2、自动去重
3、不能用中括号

insert：
可以插入单个值返回值：pair<iterator, bool>
erase：
可以直接删除某个值
count：
可以检查某个值是否存在

multiset：

与set的不同：
1、不会去重，允许同样的值存在
2、count可以数出某个值的个数
3、删除值的时候会将所有的同值元素全部删掉

map：

map<键类型，值类型，校验规则>

每个元素都是一个pair<键类型，值类型>

基础用法参考set，可以视为给键添加了一个附加信息的set。访问pair的两个元素应该使用first和second

map的中括号重载：

1、如果中括号中的值跟某个键重合，则会返回该键对应的值的引用
2、如果不重合，会创建这个键，并用值类型的默认构造函数构造对应的值，然后返回这个值的引用。

中括号重载包含了at、find、insert等函数的功能，是map之所以好用的原因。

multimap:

与map的区别：
1、不会去重，允许同样的键存在
2、count可以数出某个键的个数
3、删除键的时候会将所有的键相同的元素全部删掉
4、不能用中括号

关联式容器面试题

  1. 说说你所知道的容器都有哪些?

map,set,multimap,multiset

  1. map与set的区别?使用map有哪些优势?

（1）map中的元素是key-value（关键字—值）对：关键字起到索引的作用，值则表示与索引相关联的数据；Set与之相对就是关键字的简单集合，set中每个元素只包含一个关键字。

（2）set的迭代器是const的，不允许修改元素的值；map允许修改value，但不允许修改key。其原因是因为map和set是根据关键字排序来保证其有序性的，如果允许修改key的话，那么首先需要删除该键，然后调节平衡，再插入修改后的键值，调节平衡，如此一来，严重破坏了map和set的结构，导致iterator失效，不知道应该指向改变前的位置，还是指向改变后的位置。所以STL中将set的迭代器设置成const，不允许修改迭代器的值；而map的迭代器则不允许修改key值，允许修改value值。

（3）map支持下标操作，set不支持下标操作。map可以用key做下标，map的下标运算符[ ]将关键码作为下标去执行查找，如果关键码不存在，则插入一个具有该关键码和mapped_type类型默认值的元素至map中，因此下标运算符[ ]在map应用中需要慎用，const_map不能用，只希望确定某一个关键值是否存在而不希望插入元素时也不应该使用，mapped_type类型没有默认值也不应该使用。如果find能解决需要，尽可能用find。

  1. map的底层实现，说下红黑树?
  2. map的迭代器会失效吗?什么情况下回失效?
  3. AVLTree和RBTree的对比，为什么map和set使用了红黑树?红黑树的优势是什么?
  4. AVLTree和RBTree所达到的平衡有什么区别?
  5. RBTree节点的颜色是红或者黑色?其他颜色行不行?
  6. RBTree是如何插入?如何旋转的?