C++map,set,multiset,multimap详细解析

目录

• 1. 关联式容器
• 2. 键值对
• 3. 树形结构的关联式容器
• 3.1 set 
• set的介绍
• set的使用
•  3.2 map
• map的介绍
• map的使用
• 3.3 multiset 
• multiset的介绍
• multiset的使用
• 3.4 multimap
• multimap的介绍
• multimap的使用

1. 关联式容器

在C++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？

关联式容器是STL中的一类容器，用于存储键值对（key - value pairs）。主要包括 set、map、multiset 和 multimap。与序列式容器（如 vector、list 等）不同，关联式容器的元素是以键（key）来索引的，而不是通过元素的顺序。

主要区别：

存储方式：序列式容器按顺序存储元素，关联式容器按键值对存储，允许快速查找。

访问方式：序列式容器通过索引访问元素，关联式容器通过键访问对应的值。

性能：关联式容器通常提供对元素的快速查找、插入和删除操作，时间复杂度一般为对数级（O(log n)），而序列式容器的某些操作可能是线性级（O(n)）。

关联式容器在处理需要快速查找的场景时非常有用。

2. 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)
{}
};

3. 树形结构的关联式容器

根据应用场景的不同，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 

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，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：log(N)

7. set中的元素不允许修改(为什么?)

8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现  

set 中的元素不允许修改是因为 set 是基于键的唯一性和排序特性来管理元素的。如果允许修改元素，会导致以下问题：

唯一性破坏：修改后的元素可能会与其他元素重复，从而破坏 set 的唯一性。

排序不一致：set 中的元素是自动排序的，修改元素会影响其在容器中的位置，可能导致内部结构不一致。

因此，为了维护这些特性，set 中的元素必须是不可修改的

 参考:set - C++ Reference

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：set中元素空间的管理方式，使用STL提供的空间配置器管理  

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(Inputlterator first, Inputlterator 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

3. set的迭代器  

函数声明	功能介绍
iterator end()	返回set最后一个元素后面的迭代器
iterator begin()	返回set中其实位置元素的迭代器
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的迭代器
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_iterator crbegin() const	返回set第一个元素的反向const迭代器,即cend
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

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,否侧返回false
size_type size() const	返回set中有效元素的个数

 5. set的修改操作

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中的编程客栈位置,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(const key_type& x)	删除set中值为x的元素,返回删除的元素个数
void erase(iterator first, iterator lase)	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

6. set的使用举例

#include <IOStream>
#include <set>
using namespace std;
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;
}
int main()
{
    TestSet();
    return 0;
}

 3.2 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通常用于排序和唯一地标识元素，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))。

参考:map - C++ Reference 

map的使用

1. map的模板参数声明

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	功能介绍
bool empty() const	检测map中的元素是否为空,是返回true,否侧返回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

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 valueandroid_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:iteratjsor代表新插入的元素的位置,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js除[first, last)区间中的元素
void swap(map<key,T,Compare,Allpcator& mp>)	交换两个元素
void clear()	将map中的元素清空
iterator find(const key_type& x)	在map中查找key为x的元素,找到返回该元素的位置的迭代器,否侧返回end
const_iterator find(const key_type& x)const	在map中查找key为x的元素,找到返回该元素的位置的const迭代器,否侧返回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

6. map的使用举例

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
using namespace std;
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返回值键值对编程客栈中的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;
}
int main()
{
    TestMap();
    return 0;
}

3.3 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中在底层中存储的是<key, value>的键值对

2. multiset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: logN

7. multiset的作用：可以对元素进行排序 

参考:multiset - C++ Reference 

multiset的使用

此处只简单演示set与multiset的不同，其他接口接口与set相同

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;
void TestSet()
{
	int array[] = { 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 7, 2, 1, 3, 9, 6, 0, 5, 8, 4, 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;
}
int main()
{
	TestSet();
	return 0;
}

3.4 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，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。

参考: multimap - C++ Reference 

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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