map和set等关联式容器的使用

Posted 2022-12-14 WoLannnnn

关联式容器

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。下面介绍map和set

set

set的介绍

set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：

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：log2(N)
7. set中的元素不允许修改
8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现

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 (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& 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_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 ( 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

   erase与find的使用：

   set本身是提供find的，如果找到了返回这个元素的迭代器，没找到就返回end位置，所以用find结合erase的方式来删除元素，要确保set中有该元素，否则，set会删除end位置，该位置是不属于set的，也就是非法删除了空间。

   而直接用erase(40);这种方法，set中有40就删除，没有就不删除任何元素

   算法库中的find和set提供的find的区别：效率不同。算法库中的find是遍历容器来查找，时间复杂度为O(N)，而set的find是按照搜索树的特点来查找，时间复杂度为O(logN)

6. set的使用举例

     void test_set1()
   
   

   std::set s;

   s.insert(2);
   s.insert(3);
   s.insert(2);
   s.insert(10);
   s.insert(5);
   s.insert(9);

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

   //迭代器的使用
   std::set::iterator it = s.begin();
   while (it != s.end())
   
   std::cout << *it << " ";
   ++it;
   
   std::cout << std::endl;

   for (auto& e : s)
   
   std::cout << e << " ";
   
   std::cout << std::endl;

   //erase的使用
   std::set::iterator pos = s.find(30);
   if (pos != s.end())
   
   s.erase(pos);
   

   for (auto& e : s)
   
   std::cout << e << " ";
   
   std::cout << std::endl;

   s.erase(40);
   s.erase(10);

   for (auto& e : s)
   
   std::cout << e << " ";
   
   std::cout << std::endl;
   

map

map的介绍

map的文档简介
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 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

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[] (const key_type& k)	返回key对应的value

   operator[]的底层是用insert实现的

   insert的返回值是一个键值对pair<iterator, bool>，第一个是迭代器，第二个是bool值。
   insert的返回值分两种情况：

   1. 当前树中不存在插入的元素，则进行插入，pair的第一个参数返回插入后指向新元素的迭代器，第二个参数返回true
   2. 当前树中已存在相同的key，pair的第一个参数返回已存在的元素的迭代器，第二个参数返回false

   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？
   看看官方文档怎么说

   

   • 如果传入的key已经存在，则返回key对应的value(引用)。
   • 如果传入的key不存在，则会将该key进行插入，key的value通过默认的构造函数来创建。

   operator[]的底层实现：

   (*((this->insert(make_pair(k,mapped_type()))).first)).second
   

   解析：

   

   所以，operator[]有三个作用：

   1. 插入
   2. 查找key对应的value
   3. 修改key对应的value，因为返回的是引用

   一般不用operator[]进行查找，只用它进行插入和修改，查找可能改变树的结构

   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 ( const key_type& x )	删除键值为x的元素，返回删除的元素个数
   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中查找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中查找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

   拿insert的参数vlaue_type举例，value_type是通过typedef pair出来的，所以value_type是一个键值对。插入的语法是insert(pair<T,T>)，同样迭代器表示的也是一个键值对，所以一个迭代器实际上是一个键值对的指针

6. map的使用举例

     void test_map1()
   
   

   std::map<int, int> m;

   m.insert(std::pair<int, int>(1,1));
   m.insert(std::pair<int, int>(2,2));
   m.insert(std::make_pair(3,3));//make_pair是pair的构造函数，构造的是一个匿名的pair，省去了模板类型的声明

     /
                            	std::map<int, int>::iterator it = m.begin();
   

   while (it != m.end())
   
   std::cout << it->first << “:” << it->second << std::endl;
   ++it;
   

   void test_map2()
   
   std::string strs[] = “张三”,“李四”, “张三”, “王五”, “张三”,“王五”,“张三”, “王五”, “赵六”, “张三”, “张三”, “赵六”, “李四”, “王五”, “张三”, “张三” ;

   //统计名字出现的次数
   std::map<std::string, int> count_map;

   for (std::string& sstr : strs)
   
   auto pos = count_map.find(sstr);
   if (pos != count_map.end())
   
   pos->second++;
   
   else
   
   count_map.insert(std::make_pair(sstr, 1));
   
   

   std::map<std::string, int>::iterator it = count_map.begin();
   while (it != count_map.end())
   
   std::cout << it->first << “:” << it->second << std::endl;
   ++it;
   

   
   
                              ```cpp
   #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("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;

map的用法总结

1. 增 insert + operator[]
2. 删 erase
3. 查 find
4. 改 operator[]
5. 遍历 iterator + 范围for
   注：遍历出来的数据都是按key排序的，因为底层是搜索树， 遍历是按照树的中序来的

map中存的是pair<key, value>键值对，迭代器指向的是pair

multiset

multiset的介绍

multiset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：

1. multiset中在底层中存储的是<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log2(N)
7. multiset的find如果查找的元素有重复，则返回的是重复元素的第一个
8. multiset的作用：可以对元素进行排序

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 <set>
void TestSet()

    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;

multimap

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;
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。multimap中有多个相同的key时，不知道要返回哪个key对应的value
4. 使用时与map包含的头文件相同

在OJ中的使用

前K个高频单词

两个思路：

1. 先用map<string, int>统计出单词出现的次数，再将pair<string, int>键值对放到vector中，用sort排序，需要我们自己定义一个按int比较的仿函数排完后，还需要对次数相同的单词按字母排。因为sort是快排实现的，不稳定，排完了单词的相对顺序会改变。
2. 用multimap排序。
   同样先用map<string, int>统计出单词出现的次数，再用multimap<int, string>对出现次数进行排序(此时默认是升序的)，然后取出倒数的k个单词，可是怎么取呢，用反向迭代器的话会导致出现次数相同的单词不能按照字典序排列(map进行排序时，是按string来排的，string的排序就是按照字典序)，所以我们用multimap排序时，不按照升序排，按照降序排(multimap遍历相同key的顺序是按照插入顺序来的，而遍历map时，插入顺序就是字典序)，使用的就是multimap< int, string, greater >，然后取出前k个单词

class Solution 
public:
    vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) 
        map<string ,int> countMap;
        for (auto& e : words)
        
            countMap[e]++;//统计单词出现次数
        

        //按单词出现次数排序
        multimap<int, string, greater<int>> countSort;
        for (auto& kv : countMap)
        
            countSort.insert(make_pair(kv.second, kv.first));
        

        vector<string> ret;
        for (auto& kv : countSort)
        
            if (k == 0)
            break;

            ret.push_back(kv.second);
            --k;
        
        
        return ret;
    
;