【C++】STL之树形结构的关联式容器 ----- map和multimap

àì夳堔傛蜴生んèń 2023-07-24 05:54 46阅读 0赞

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：树形结构和哈希结构。**树形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。

## 关联式容器 ##

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，即通过英文单词，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)
    	{ }
    };

## map ##

#### map的介绍 ####

[map的文档简介][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.  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**  
![在这里插入图片描述][20200410184901548.png]

*  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），需要用户自己显示传递比较规则（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**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能介绍</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>map(const key_compare&amp; comp = key_ compare(), const allocator_type&amp; alloc = allocator_type())</td> 
   <td>构造一个空的map</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>template map(InputIterator first, InputIterator last, const key_compare&amp; comp = key_compare(), const allocator_type&amp; alloc = allocator_type())</td> 
   <td>用[first, last)区间中的元素构造map</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>map(const map&amp; x)</td> 
   <td>map的拷贝函数</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#include<string>
    #include<map>
    
    void TestMap()
    { 
    	//key和value的类型都给成字符串
    	map<string, string> m1;
    
    	//C++11的类表初始化
    	map<string, string> m2
    	{ 
    		{  "apple", "苹果" },
    		{  "banana", "香蕉" },
    		{  "orange", "橘子" },
    		{  "peach", "桃子" },
    		{  "watermelon", "西瓜" }
    	};
    	cout << m2["apple"] << endl;
    	cout << m2["watermelon"] << endl;
    	map<string, string> m3(m2);
    }

**3、map的迭代器**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数申明</th> 
   <th>功能简介</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>iterator begin()</td> 
   <td>返回第一个元素的位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>iterator end()</td> 
   <td>返回最后一个元素的下一个位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_iterator begin() const</td> 
   <td>返回第一个元素的const迭代器</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_iterator end() const</td> 
   <td>返回最后一个元素下一个位置的const迭代器</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>reverse_iterator rbegin()</td> 
   <td>返回第一个元素位置的反向迭代器即rend</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>reverse_iterator rend()</td> 
   <td>返回最后一个元素下一个位置的反向迭代器即rbegin</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_reverse_iterator rbegin() const</td> 
   <td>返回第一个元素位置的const反向迭代器即rend</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_reverse_iterator rend() const</td> 
   <td>返回最后一个元素下一个位置的const反向迭代器即rbegin</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#include<string>
    #include<map>
    
    void TestMap()
    { 
    	map<string, string> m
    	{ 
    		{  "apple", "苹果" },
    		{  "banana", "香蕉" },
    		{  "orange", "橘子" },
    		{  "peach", "桃子" },
    		{  "watermelon", "西瓜" }
    	};
    
    	for (auto it = m.begin(); it != m.end(); ++it)
    		cout << (*it).first << "--->" << it->second << endl;
    	cout << endl;
    }

**4、map的容量与元素访问**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能简介</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>bool empty() const</td> 
   <td>检测map中的元素是否为空，是返回true，否则返回false</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type size() const</td> 
   <td>返回map中有效元素的个数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>mapped_type&amp; operator[](const key_type&amp; k)</td> 
   <td>返回去key对应的value</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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？  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
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<string>
    #include<map>
    
    void TestMap()
    { 
    	//构造一个空的map，此时m中一个元素都没有
    	map<string, string> m;
    
    	/* 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
    	//即修改与"apple"对应的value" "为“苹果”
    	m["apple"] = "苹果";
    
    	//将<"apple", "">插入map中，插入失败，将<"apple", "苹果">中的"苹果"返回
    	cout << m["apple"] << endl;
    	cout << m.size() << endl;
    
    	//"banana不在map中，该函数抛异常"
    	m.at("banana");
    }

**5、map中元素的修改**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>函数声明</th> 
   <th>功能简介</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>pair&lt;iterator, bool&gt; insert(const value_type&amp; x)</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>iterator insert(iterator position, const value_type&amp; x)</td> 
   <td>在position位置插入值为x的键值对，返回该键值对在map中位置，注意：元素不一定必须插在position位置，该位置只是一个参考</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>template void insert(InputIterator first, InputIterator last)</td> 
   <td>在map中插入[first, last)区间中的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void erase(iterator position)</td> 
   <td>删除position位置上的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type erase(const key_type&amp; x)</td> 
   <td>删除键值为x的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void erase(iterator first, iterator last)</td> 
   <td>删除[first，last)区间中的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void swap(map&lt;Key, T, Compare, Allocator&gt;&amp; mp)</td> 
   <td>交换两个map中的元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void clear()</td> 
   <td>将map中的元素清空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>iterator find(const key_type&amp; x)</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>const_iterator find(const key_type&amp; x) const</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size_type count(const key_type&amp; x) const</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#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
    	m["apple"] = "苹果";
    
    	//key不存在时抛异常
    	//m.at("watermelon") = "西瓜";
    	m.insert(m.find("banana"), make_pair("watermelon", "西瓜"));
    	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");
    	for (auto& e : m)
    		cout << e.first << "---->" << e.second << endl;
    
    	if (1 == m.count("apple"))
    		cout << "apple还在" << endl;
    	else
    		cout << "apple被吃了" << endl;
    }

**6、总结**

1.  map中的元素是键值对。
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 ##

#### multimap的介绍 ####

[multimap文档介绍][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。
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。**

#### 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。

void TestMultimap1()
    { 
    	multimap<string, string> m;
    	m.insert(make_pair("李逵", "黑旋风"));
    	m.insert(make_pair("林冲", "豹子头"));
    	m.insert(make_pair("鲁达", "花和尚"));
    
    	//尝试插入key相同的元素
    	m.insert(make_pair("李逵", "铁牛"));
    	cout << m.size() << endl;
    
    	for (auto& e : m)
    	{ 
    		cout << "<" << e.first << "," << e.second << ">" << endl;
    	}
    	//key为李逵的元素有多少个
    	cout << m.count("李逵") << endl;
    }
    
    void TestMultimap2()
    { 
    	multimap<int, int> m;
    	for (int i = 0; i < 10; ++i)
    		m.insert(pair<int, int>(i, i));
    
    	for (auto& e : m)
    		cout << e.first << "--->" << e.second << endl;
    	cout << endl;
    
    	//返回m中大于等于5的第一个元素
    	auto it = m.lower_bound(5);
    	cout << it->first << "--->" << it->second << endl;
    
    	//返回m中大于5的元素
    	it = m.upper_bound(5);
    	cout << it->first << "--->" << it->second << endl;
    }

[map]: http://www.cplusplus.com/reference/map/map/?kw=map
[20200410184901548.png]: /images/20230528/cc1bff131de04086895480b404b18e50.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/d62e2a4273644a10b007619815404571.png
[multimap]: http://www.cplusplus.com/reference/map/multimap/?kw=multimap