C++ STL关联式容器：map、multimap/set、multiset

giturtle
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本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

引入

之前vector、list等所学的统称为序列式容器，其底层为线性序列的数据结构，里面存储的是元素本身。

而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

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：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>
class pair {
	typedef T1 first_type;
	typedef T2 second_type;

	first_type first;
	second_type second;

	pair(const first_type& a,const second_type& b)
		:first(a)
		,second(b)
	{}
};

树形关联式容器

根据应用场景的不同，STL总共实现了2种不同结构的关联式容器：树型结构 与 哈希结构。

树型结构的关联式容器主要有四种：

  1. map
  2. set
  3. multimap
  4. multiset

这四种容器的共同点是：底层使用了==平衡搜索树（即红黑树）==，容器中的元素是一个有序的序列。

map

  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;
  1. 在内部，map中的元素总是按照键值key进行比较排序的。
  2. 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）
  3. 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。
  4. map通常被实现为二叉搜索树（更准确是平衡二叉搜索树(==红黑树==)）。

使用方法

template< class Key,	// map::key_type
		  class T,		// map::mapped_type
		  class Compare = less<Key>,	//缺省/ map::key_compare
		  class Alloc = allocator < pair<const Key, T> >	
		  					//缺省/ allocator_type:allocator_type
> class map;
  • 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>。

它的构造函数、迭代器都与之前的容器没有太大区别。但其[]操作符的重载有些不同：

  • 函数：
mapped_type& operator[](const key_type& k) {
	return (*((this->insert(make_pair(k, mapped_type()))).first)).second;
}
  • 作用：返回key对应的value
  • 解释： mapped_type()：缺省构造对象

在元素访问时，有一个与operator[]类似的操作at()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：

  1. operator[]用默认value与key构造键值对，然后插入，返回该默认value。
  2. at()函数直接抛异常。

map中的元素修改

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_t 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_t 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

insert返回的是一个pair，其第一个值（first）是一个迭代器，指向新插入元素，新插入元素的本质是一个键值对pair，解引用之后可以取到新元素的second，此时它的本质是value。 pair中返回了value

代码演示

#include <string>
#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("banana", "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;
}

小结

  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

  1. multimap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排序与唯一地标识元素，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;
  1. 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。
  2. 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，其返回的是底层==二叉平衡树的中序遍历==结果。
  3. 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。

使用

  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，因为一个同key也许对应了不止一个的value，并且下标不一定是整型，可以是任意类型。
  4. 使用时与map包含的头文件相同，都是<map>。

set

  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在底层是用平衡二叉搜索树（==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：O（log^N^）
  7. set中的元素不允许修改。

使用

#include <iostream>
#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));
	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.begin(); it != s.end(); ++it)
		cout << *it << " ";
	cout << endl;

	// set中值为3的元素出现了几次
	cout << s.count(3) << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

multiset

  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修饰的)，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<value, 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：O（log^N^）
  7. multiset的作用：可以对元素进行排序。

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，同学们可参考set

#include <set>
int main(){
	int array[] = { 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;
	return 0;
}

底层结构

前面对map/multimap/set/multiset进行了简单的介绍，在其文档介绍中发现，这几个容器有个共同点是： 其底层都是按照二叉搜索树来实现的。

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