STL map、set、multi_map、multi_set 基本概念与用法

基本概念

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。

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。下面一依次介绍每一
个容器。

set

描述

set文档

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：$log_2 n$
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的使用

模板参数列表

参数:

set中只有key,所以value_type也是key;同理value_compare等于key_compare

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

基本构造函数

set的迭代器

set支持正向迭代器与反向迭代器

set的容量

set的常规操作

map

map文档

描述

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))。

map的使用

模板参数列表

构造函数

迭代器

map的容量与元素访问

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()函数则是直接抛异常。

map中元素的操作

当key已存在时，insert插入失败

[] 支持 查找，插入，修改

【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。

multiset

描述

multiset文档

[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)。

补充：

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$O(log_2 N)$
7. multiset的作用：可以对元素进行排序

multiset简单使用

#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;
}

【注意】

multiset中的find，规定找中序的第一个

multimap

描述

multimap文档

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。

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key-value不再是唯一）
4. 使用时与map包含的头文件相同：

底层结构

map/multimap/set/multiset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，但是二叉搜索树有其自身的缺陷，假如往树中插入的元素有序或者接近有序，二叉搜索树就会退化成单支树，时间复杂度会退化成O(N)，因此map、set等关联式容器的底层结构是对二叉树进行了平衡处理，即采用平衡树来实现。