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C++入门——14树型关联容器

2024/12/23 0:49:22 来源:https://blog.csdn.net/m0_56989421/article/details/141331870  浏览:    关键词:C++入门——14树型关联容器

1.关联式容器

1.1.什么是关联式容器

        对于vector,list,deque,forward_list这些容器称为序列式容器,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。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。

1.2.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,即通过该应该单词,在词典中就可以找到与其对应的中文含义。

1.3. 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。

2.set

学习文档:http://www.cplusplus.com/reference/set/set/?kw=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(从小到大排序)。
  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
  8. set中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现的。

3.set常用接口

3.1构造函数

  • set (const Compare& comp = Compare(), const Allocator&= Allocator() ); 构造空的set

// 1. 默认构造空的 set
std::set<int> s1;
  • set (InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare(), const Allocator& =Allocator() ); 用[first, last)区间中的元素构造set

 // 2. 用区间构造 set
int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::set<int> s2(arr, arr + 5); // 从数组区间 [arr, arr+5) 构造
  • set ( const set<Key,Compare,Allocator>& x); set的拷贝构造

// 3. 使用拷贝构造函数
std::set<int> s3(s2); // 拷贝构造

3.2迭代器函数

  • iterator begin() 返回set中起始位置元素的迭代器

std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.begin();
std::cout << *it << std::endl; // 输出 1
  • iterator end() 返回set中最后一个元素后面的迭代器

std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.end();
// it 指向 3 后面的元素(一个越界位置)
  • const_iterator cbegin()const 返回set中起始位置元素的const迭代器

const std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.cbegin();
std::cout << *it << std::endl; // 输出 1
  • const_iterator cend() const 返回set中最后一个元素后面的const迭代器

const std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.cend();
// it 指向 3 后面的元素(一个越界位置)
  • reverse_iterator rbegin() 返回set第一个元素的反向迭代器,即end

std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.rbegin();
std::cout << *it << std::endl; // 输出 3
  • 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

std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.rend();
// it 指向 1 前面的元素(一个越界位置)
  • const_reverse_iterator crbegin() const 返回set第一个元素的反向const迭代器,即cend

const std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.crbegin();
std::cout << *it << std::endl; // 输出 3
  • 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

const std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.crend();
// it 指向 1 前面的元素(一个越界位置)

3.3元素操作相关的成员函数

  • bool empty ( ) const 检测set是否为空,空返回true,否则返回true

std::set<int> s;
std::cout << std::boolalpha << s.empty() << std::endl; // 输出 true
  • size_type size() const 返回set中有效元素的个数

std::set<int> s = {1, 2, 3};
std::cout << s.size() << std::endl; // 输出 3
  • 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>

std::set<int> s;
auto result = s.insert(2);
std::cout << *(result.first) << " " << std::boolalpha << result.second << std::endl; // 输出 2 true
result = s.insert(2);
std::cout << *(result.first) << " " << std::boolalpha << result.second << std::endl; // 输出 2 false
  • void erase ( iterator position ) 删除set中position位置上的元素

std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.find(2);
s.erase(it);
// 现在 s 包含 {1, 3}
  • size_type erase ( constkey_type& x ) 删除set中值为x的元素,返回删除的元素的个数

std::set<int> s = {1, 2, 3};
size_t count = s.erase(2);
std::cout << count << std::endl; // 输出 1
  • void erase ( iterator first,iterator last ) 删除set中[first, last)区间中的元素

std::set<int> s = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it1 = s.find(2);
auto it2 = s.find(4);
s.erase(it1, it2); // 删除 2 和 3
// 现在 s 包含 {1, 4, 5}
  • void swap (set<Key,Compare,Allocator>&st );交换set中的元素

std::set<int> s1 = {1, 2, 3};
std::set<int> s2 = {4, 5, 6};
s1.swap(s2);
// 现在 s1 包含 {4, 5, 6},s2 包含 {1, 2, 3}
  • void clear ( ) 将set中的元素清空

std::set<int> s = {1, 2, 3};
s.clear();
// 现在 s 为空
  • iterator find ( const key_type& x ) const 返回set中值为x的元素的位置

std::set<int> s = {1, 2, 3};
auto it = s.find(2);
if (it != s.end()) {std::cout << *it << std::endl; // 输出 2
}
  • size_type count ( const key_type& x ) const 返回set中值为x的元素的个数

std::set<int> s = {1, 2, 3};
std::cout << s.count(2) << std::endl; // 输出 1
std::cout << s.count(4) << std::endl; // 输出 0

3.4元素的遍历

#include <set>
void TestSet()
{// 用数组array中的元素构造setint 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;             // 输出: 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;             // 输出: 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0// set中值为3的元素出现了1次,可以去重cout << s.count(3) << endl;
}

4.map

学习文档:cplusplus.com/reference/map/map/?kw=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:
  3. typedef pair<const key, T> value_type;
  4. 在内部,map中的元素总是按照键值key进行比较排序的。
  5. 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)。
  6. 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。
  7. 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))。

注意:

  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_2N)
  6. 支持[]操作符,operator[]中实际进行插入查找。

5.map常用接口

5.1构造函数

  • map(key,value) 构造一个空的map

map<string, string> m;

5.2迭代器

  • begin()和end() begin:首元素的位置,end最后一个元素的下一个位置

// 使用 begin() 和 end()
std::cout << "Using begin() and end():" << std::endl;
for (auto it = myMap.begin(); it != myMap.end(); ++it) {std::cout << it->first << ": " << it->second << std::endl;
}
std::cout << std::endl;
  • 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

    // 使用 cbegin() 和 cend()std::cout << "Using cbegin() and cend():" << std::endl;for (auto it = myMap.cbegin(); it != myMap.cend(); ++it) {std::cout << it->first << ": " << it->second << std::endl;}std::cout << std::endl;
  • 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

    // 使用 rbegin() 和 rend()std::cout << "Using rbegin() and rend():" << std::endl;for (auto it = myMap.rbegin(); it != myMap.rend(); ++it) {std::cout << it->first << ": " << it->second << std::endl;}std::cout << std::endl;
  • 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

    // 使用 crbegin() 和 crend()std::cout << "Using crbegin() and crend():" << std::endl;for (auto it = myMap.crbegin(); it != myMap.crend(); ++it) {std::cout << it->first << ": " << it->second << std::endl;}

5.3map的容量与元素访问

  • bool empty ( ) const 检测map中的元素是否为空,是返回true,否则返回false

    // 使用 empty() 检测 map 是否为空if (myMap.empty()) {std::cout << "Map is empty." << std::endl;}
  • size_type size() const 返回map中有效元素的个数

    // 使用 size() 返回 map 中元素的个数std::cout << "Size of the map: " << myMap.size() << std::endl;
  • mapped_type& operator[] (const key_type& k) 返回去key对应的value

    // 使用 operator[] 访问和修改 map 中的元素std::cout << "Value for key 2: " << myMap[2] << std::endl;

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。

#include <iostream>
#include <map>
#include <stdexcept>void TestMapAt() {std::map<int, std::string> myMap;// 插入一些元素myMap[1] = "one";myMap[2] = "two";myMap[3] = "three";try {// 使用 at() 访问 key 为 2 的元素std::cout << "Value for key 2: " << myMap.at(2) << std::endl;// 尝试访问一个不存在的 keystd::cout << "Value for key 4: " << myMap.at(4) << std::endl;}catch (const std::out_of_range& e) {std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;}
}int main() {TestMapAt();return 0;
}

5.4元素的修改

  • 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 TestMapInsert() {std::map<int, std::string> myMap;auto result = myMap.insert(std::make_pair(1, "one"));if (result.second) {std::cout << "Inserted: " << result.first->first << " -> " << result.first->second << std::endl;} else {std::cout << "Insert failed. Key already exists." << std::endl;}
}
  • void erase ( iterator position ) 删除position位置上的元素

void TestMapEraseIterator() {std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};auto it = myMap.find(2);myMap.erase(it);for (const auto& pair : myMap) {std::cout << pair.first << " -> " << pair.second << std::endl;}
}
  • size_type erase ( constkey_type& x ) 删除键值为x的元素

void TestMapEraseKey() {std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};size_t erasedCount = myMap.erase(2);std::cout << "Erased elements: " << erasedCount << std::endl;for (const auto& pair : myMap) {std::cout << pair.first << " -> " << pair.second << std::endl;}
}
  • void erase ( iterator first,iterator last ) 删除[first, last)区间中的元素

void TestMapEraseRange() {std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}, {4, "four"}};auto it1 = myMap.find(2);auto it2 = myMap.find(4);myMap.erase(it1, it2);for (const auto& pair : myMap) {std::cout << pair.first << " -> " << pair.second << std::endl;}
}
  • void swap (map<Key,T,Compare,Allocator>&mp )交换两个map中的元素

void TestMapSwap() {std::map<int, std::string> map1 = {{1, "one"}, {2, "two"}};std::map<int, std::string> map2 = {{3, "three"}, {4, "four"}};map1.swap(map2);for (const auto& pair : map1) {std::cout << "map1: " << pair.first << " -> " << pair.second << std::endl;}for (const auto& pair : map2) {std::cout << "map2: " << pair.first << " -> " << pair.second << std::endl;}
}
  • void clear ( ) 将map中的元素清空

void TestMapClear() {std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};myMap.clear();std::cout << "Map size after clear: " << myMap.size() << std::endl;
}
  • 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

void TestMapFind() {std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};auto it = myMap.find(2);if (it != myMap.end()) {std::cout << "Found: " << it->first << " -> " << it->second << std::endl;} else {std::cout << "Key not found." << std::endl;}
}
  • const_iterator find ( constkey_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

void TestMapFindConst() {std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};std::map<int, std::string>::const_iterator it = myMap.find(2);if (it != myMap.cend()) {std::cout << "Found: " << it->first << " -> " << it->second << std::endl;} else {std::cout << "Key not found." << std::endl;}
}
  • size_type count ( constkey_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

void TestMapCount() {std::map<int, std::string> myMap = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}};std::cout << "Count of key 2: " << myMap.count(2) << std::endl;
}

6.multiset

学习文档:http://www.cplusplus.com/reference/set/multiset/?kw=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O(log_2 N)
  7. multiset的作用:可以对元素进行排序

7.multiset用法

  • 构造函数

    • multiset 提供多种构造方法:
       
      std::multiset<int> ms;  // 默认构造
      std::multiset<int> ms2(ms1);  // 拷贝构造
      std::multiset<int> ms3(array, array + n);  // 用区间构造
      

    示例:

    #include <iostream>
    #include <set>int main() {int array[] = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3};std::multiset<int> ms(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));for (auto& elem : ms) {std::cout << elem << " ";  // 自动排序且允许重复}std::cout << std::endl;return 0;
    }
    

  • 插入元素

    • 使用 insert 函数插入元素:
    ms.insert(7);
    ms.insert(2);
    

  • 删除元素

    • 使用 erase 函数删除特定值或位置的元素:
       
    ms.erase(3);  // 删除所有值为3的元素
    ms.erase(ms.begin());  // 删除第一个元素
    

  • 查找元素

    • find 返回一个指向某个元素的迭代器,如果找不到元素则返回 end()
       
    auto it = ms.find(5);
    if (it != ms.end()) {std::cout << "Found: " << *it << std::endl;
    }
    

  • 统计某个值的出现次数

    • 使用 count 来统计某个值的出现次数:
       
      int count = ms.count(5);
      std::cout << "5 appears " << count << " times" << std::endl;
      

  • 遍历 multiset

    • 可以使用普通迭代器、反向迭代器、const_iterator 遍历 multiset
    for (auto it = ms.begin(); it != ms.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;for (auto it = ms.rbegin(); it != ms.rend(); ++it) {std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    

  • 其他操作

    • size(): 返回 multiset 中元素的数量。
    • empty(): 检查 multiset 是否为空。
    • clear(): 清空 multiset 中的所有元素。
    • swap(): 交换两个 multiset 的内容。

8. multimap

学习文档:http://www.cplusplus.com/reference/map/multimap/?kw=multimap

  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中的元素默认将key按照小于来比较multimap中没有重载operator[]操作。使用时与map包含的头文件相同。

9.multimap用法

  1. 构造函数

    std::multimap<int, std::string> mm;  // 默认构造
    std::multimap<int, std::string> mm2(mm1);  // 拷贝构造
    std::multimap<int, std::string> mm3(arr, arr + n);  // 用区间构造
    

  2. 插入元素

    • 使用 insert 函数插入键值对,可以插入重复键:
       
    mm.insert({3, "three"});
    mm.insert(std::make_pair(3, "tres"));
    

  3. 删除元素

    • 使用 erase 函数删除特定键或位置的元素:
       
    mm.erase(1);  // 删除所有键为1的元素
    mm.erase(mm.begin());  // 删除第一个元素
    

  4. 查找元素

    • find 返回一个指向某个键的迭代器,如果找不到则返回 end()
       
    auto it = mm.find(2);
    if (it != mm.end()) {std::cout << "Found: " << it->first << " -> " << it->second << std::endl;
    }
    

  5. 统计某个键的出现次数

    • 使用 count 来统计某个键的出现次数:
       
    int count = mm.count(1);
    std::cout << "Key 1 appears " << count << " times" << std::endl;
    

  6. 遍历 multimap

    • 可以使用普通迭代器、反向迭代器、const_iterator 遍历 multimap
    for (auto it = mm.begin(); it != mm.end(); ++it) {std::cout << it->first << " -> " << it->second << std::endl;
    }for (auto it = mm.rbegin(); it != mm.rend(); ++it) {std::cout << it->first << " -> " << it->second << std::endl;
    }
    

  7. 获取某个键的范围

    • 使用 equal_range 获取某个键的所有元素范围:
       
    auto range = mm.equal_range(1);
    for (auto it = range.first; it != range.second; ++it) {std::cout << it->first << " -> " << it->second << std::endl;
    }
    

  8. 其他操作

    • size(): 返回 multimap 中元素的数量。
    • empty(): 检查 multimap 是否为空。
    • clear(): 清空 multimap 中的所有元素。
    • swap(): 交换两个 multimap 的内容。

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