带你深入理解STL之Set和Map

2023-05-16

在上一篇博客带你深入理解STL之RBTree中，讲到了STL中关于红黑树的实现，理解起来比较复杂，正所谓前人种树，后人乘凉，RBTree把树都种好了，接下来就该set和map这类关联式容器来“乘凉”了。

STL的set和map都是基于红黑树实现的，和stack和queue都是基于deque一样，它们仅仅是调用了RBTree提供的接口函数，然后进行外层封装即可。本篇博客理解起来比较轻松，set和map的源代码也不多，大家可以慢慢“品味”。另外，还会介绍multiset和multimap这两个容器，并给出它们的区别和应用等。还等什么呢？走吧，带你理解理解set和map吧！

set

set是一种关联式容器，其特性如下：

set以RBTree作为底层容器
所得元素的只有key没有value，value就是key
不允许出现键值重复
所有的元素都会被自动排序
不能通过迭代器来改变set的值，因为set的值就是键

针对这五点来说，前四点都不用再多作说明，第五点需要做一下说明。如果set中允许修改键值的话，那么首先需要删除该键，然后调节平衡，在插入修改后的键值，再调节平衡，如此一来，严重破坏了set的结构，导致iterator失效，不知道应该指向之前的位置，还是指向改变后的位置。所以STL中将set的迭代器设置成const，不允许修改迭代器的值。

set的数据结构

// 比较器默认采用less，内部按照升序排列，配置器默认采用alloc
template <class Key, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>
class set
{
public:
  //  在set中key就是value, value同时也是key
  typedef Key key_type;
  typedef Key value_type;

  // 用于比较的函数
  typedef Compare key_compare;
  typedef Compare value_compare;

private:
  // 内部采用RBTree作为底层容器
  typedef rb_tree<key_type, value_type,
                  identity<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
  rep_type t;   // t为内部RBTree容器

public:
  // 用于提供iterator_traits<I>支持
  typedef typename rep_type::const_pointer pointer;            
  typedef typename rep_type::const_pointer const_pointer;
  typedef typename rep_type::const_reference reference;        
  typedef typename rep_type::const_reference const_reference;
  typedef typename rep_type::difference_type difference_type; 
  // 设置成const迭代器，set的键值不允许修改
  typedef typename rep_type::const_iterator iterator;          
  typedef typename rep_type::const_iterator const_iterator;
  // 反向迭代器
  typedef typename rep_type::const_reverse_iterator reverse_iterator;
  typedef typename rep_type::const_reverse_iterator const_reverse_iterator;
  typedef typename rep_type::size_type size_type;

  iterator begin() const { return t.begin(); }
  iterator end() const { return t.end(); }
  reverse_iterator rbegin() const { return t.rbegin(); }
  reverse_iterator rend() const { return t.rend(); }
  bool empty() const { return t.empty(); }
  size_type size() const { return t.size(); }
  size_type max_size() const { return t.max_size(); }

  // 返回用于key比较的函数
  key_compare key_comp() const { return t.key_comp(); }
  // 由于set的性质, value比较和key使用同一个比较函数
  value_compare value_comp() const { return t.key_comp(); }

  // 声明了两个友元函数，重载了==和<操作符
  friend bool operator== __STL_NULL_TMPL_ARGS (const set&, const set&);
  friend bool operator< __STL_NULL_TMPL_ARGS (const set&, const set&);
  // ...
}

set的构造函数

set提供了如下几个构造函数用于初始化一个set

// 注：下面相关函数都在set类中定义，为了介绍方便才抽出来单独讲解
// 空构造函数，初始化一个空的set
set() : t(Compare()) {}
// 支持自定义比较器，如set<int,greater<int> > myset的初始化
explicit set(const Compare& comp) : t(comp) {}
// 实现诸如set<int> myset(anotherset.begin(),anotherset.end())这样的初始化
template <class InputIterator>
set(InputIterator first, InputIterator last)
: t(Compare()) { t.insert_unique(first, last); }
// 支持自定义比较器的初始化操作
template <class InputIterator>
set(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp)
: t(comp) { t.insert_unique(first, last); }
// 以另一个set来初始化
set(const set<Key, Compare, Alloc>& x) : t(x.t) {}
// 赋值运算符函数
set<Key, Compare, Alloc>& operator=(const set<Key, Compare, Alloc>& x)
{
    t = x.t;
    return *this;
}

set的操作函数

insert

插入函数，调用RBTree的插入函数即可

typedef  pair<iterator, bool> pair_iterator_bool;
// 由于set不允许键值重复，所以必须调用RBTree的insert_unique函数
// second表示插入操作是否成功
pair<iterator,bool> insert(const value_type& x)
{
  pair<typename rep_type::iterator, bool> p = t.insert_unique(x);
  return pair<iterator, bool>(p.first, p.second);
}

// 在position处插入元素, 但是position仅仅是个提示, 如果给出的位置不能进行插入,
// STL会进行查找, 这会导致很差的效率
iterator insert(iterator position, const value_type& x)
{
  typedef typename rep_type::iterator rep_iterator;
  return t.insert_unique((rep_iterator&)position, x);
}
// 将[first，last)区间内的元素插入到set中
template <class InputIterator>
void insert(InputIterator first, InputIterator last)
{
  t.insert_unique(first, last);
}

erase

擦除函数，用于擦除单个元素或者区间内的元素，直接调用RBTree的函数即可

// 擦除指定位置的元素, 会导致内部的红黑树重新排列
void erase(iterator position)
{
  typedef typename rep_type::iterator rep_iterator;
  t.erase((rep_iterator&)position);
}

// 会返回擦除元素的个数, 其实就是标识set内原来是否有指定的元素
size_type erase(const key_type& x)
{
  return t.erase(x);
}

// 擦除指定区间的元素, 会导致红黑树有较大变化
void erase(iterator first, iterator last)
{
  typedef typename rep_type::iterator rep_iterator;
  t.erase((rep_iterator&)first, (rep_iterator&)last);
}

clean

清除整个set容器，直接调用RBTree的clean函数即可

  void clear() { t.clear(); }

find

查找函数，RBTree也提供了，直接调用即可

  // 查找指定的元素
  iterator find(const key_type& x) const { return t.find(x); }

count

查找制定元素的个数

  // 返回指定元素的个数, set不允许键值重复，其实就是测试元素是否在set中
  size_type count(const key_type& x) const { return t.count(x); }

重载操作符

set重载了==和<操作符，基本上都是调用RBTree的接口函数即可，如下所示：

template <class Key, class Compare, class Alloc>
inline bool operator==(const set<Key, Compare, Alloc>& x,
                       const set<Key, Compare, Alloc>& y) {
  return x.t == y.t;
}

template <class Key, class Compare, class Alloc>
inline bool operator<(const set<Key, Compare, Alloc>& x,
                      const set<Key, Compare, Alloc>& y) {
  return x.t < y.t;
}

其他操作函数

// 返回小于当前元素的第一个可插入的位置
iterator lower_bound(const key_type& x) const
{
  return t.lower_bound(x);
}

// 返回大于当前元素的第一个可插入的位置
iterator upper_bound(const key_type& x) const
{
  return t.upper_bound(x);
}
// 返回与指定键值相等的元素区间
pair<iterator,iterator> equal_range(const key_type& x) const
{
  return t.equal_range(x);
}

multiset

multiset相对于set来说，区别就是multiset允许键值重复，在multiset中调用的是RBTree的insert_equal函数，其他的基本与set相同。

其他的就不赘述了，下面列举一下跟set不同的地方：

// 初始化函数，
// 注意！！！！插入操作采用的是RBTree的insert_equal，而不是insert_unique
template <class InputIterator>
multiset(InputIterator first, InputIterator last)
  : t(Compare()) { t.insert_equal(first, last); }
template <class InputIterator>
multiset(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp)
  : t(comp) { t.insert_equal(first, last); }

// 插入元素, 注意, 插入的元素key允许重复
iterator insert(const value_type& x)
{
  return t.insert_equal(x);
}

// 在position处插入元素, 但是position仅仅是个提示, 如果给出的位置不能进行插入,
// STL会进行查找, 这会导致很差的效率
iterator insert(iterator position, const value_type& x)
{
  typedef typename rep_type::iterator rep_iterator;
  return t.insert_equal((rep_iterator&)position, x);
}

map

map和set一样是关联式容器，它们的底层容器都是红黑树，区别就在于map的值不作为键，键和值是分开的。它的特性如下：

map以RBTree作为底层容器
所有元素都是键+值存在
不允许键重复
所有元素是通过键进行自动排序的
map的键是不能修改的，但是其键对应的值是可以修改的

在map中，一个键对应一个值，其中键不允许重复，不允许修改，但是键对应的值是可以修改的，原因可以看上面set中的解释。下面就一起来看看STL中的map的源代码。

map的数据结构

// 默认比较器为less<key>,元素按照键的大小升序排列
template <class Key, class T, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>
class map {
public:
  typedef Key key_type;                         // key类型
  typedef T data_type;                          // value类型
  typedef T mapped_type;
  typedef pair<const Key, T> value_type;        // 元素类型, 要保证key不被修改
  typedef Compare key_compare;                  // 用于key比较的函数
private:
  // 内部采用RBTree作为底层容器
  typedef rb_tree<key_type, value_type,
                  identity<value_type>, key_compare, Alloc> rep_type;
  rep_type t; // t为内部RBTree容器
public:
  // 用于提供iterator_traits<I>支持
  typedef typename rep_type::const_pointer pointer;            
  typedef typename rep_type::const_pointer const_pointer;
  typedef typename rep_type::const_reference reference;        
  typedef typename rep_type::const_reference const_reference;
  typedef typename rep_type::difference_type difference_type; 
  // 注意：这里与set不一样，map的迭代器是可以修改的
  typedef typename rep_type::iterator iterator;          
  typedef typename rep_type::const_iterator const_iterator;
  // 反向迭代器
  typedef typename rep_type::const_reverse_iterator reverse_iterator;
  typedef typename rep_type::const_reverse_iterator const_reverse_iterator;
  typedef typename rep_type::size_type size_type;

  // 常规的返回迭代器函数
  iterator begin() { return t.begin(); }
  const_iterator begin() const { return t.begin(); }
  iterator end() { return t.end(); }
  const_iterator end() const { return t.end(); }
  reverse_iterator rbegin() { return t.rbegin(); }
  const_reverse_iterator rbegin() const { return t.rbegin(); }
  reverse_iterator rend() { return t.rend(); }
  const_reverse_iterator rend() const { return t.rend(); }
  bool empty() const { return t.empty(); }
  size_type size() const { return t.size(); }
  size_type max_size() const { return t.max_size(); }

  // 返回用于key比较的函数
  key_compare key_comp() const { return t.key_comp(); }

  // 由于map的性质, value和key使用同一个比较函数, 实际上我们并不使用value比较函数
  value_compare value_comp() const { return value_compare(t.key_comp()); }

  // 注意: 这里有一个常见的陷阱, 如果访问的key不存在, 会新建立一个
  T& operator[](const key_type& k)
  {
    return (*((insert(value_type(k, T()))).first)).second;
  }
  // 重载了==和<操作符，后面会有实现
  friend bool operator== __STL_NULL_TMPL_ARGS (const map&, const map&);
  friend bool operator< __STL_NULL_TMPL_ARGS (const map&, const map&);
}

map的构造函数

map提供了一下的构造函数来初始化一个map

// 空构造函数，直接调用RBTree的空构造函数
map() : t(Compare()) {}
explicit map(const Compare& comp) : t(comp) {}
// 提供类似map<int,int> myMap(anotherMap.begin(),anotherMap.end())的初始化
template <class InputIterator>
map(InputIterator first, InputIterator last)
  : t(Compare()) { t.insert_unique(first, last); }
// 提供类似map<int,int> myMap(anotherMap.begin(),anotherMap.end(),less<int>)初始化
template <class InputIterator>
map(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp)
  : t(comp) { t.insert_unique(first, last); }
// 提供类似map<int> maMap(anotherMap)的初始化
map(const map<Key, T, Compare, Alloc>& x) : t(x.t) {}
// 重载=操作符，赋值运算符
map<Key, T, Compare, Alloc>& operator=(const map<Key, T, Compare, Alloc>& x)
{
  t = x.t;
  return *this;
}

map的操作函数

insert

同set一样，直接调用RBTree的插入函数即可，注意map不允许键值重复，所以调用的是insert_unique

// 对于相同的key, 只允许出现一次, bool标识
pair<iterator,bool> insert(const value_type& x) { return t.insert_unique(x); }

// 在position处
插入元素, 但是position仅仅是个提示, 如果给出的位置不能进行插入,
// STL会进行查找, 这会导致很差的效率
iterator insert(iterator position, const value_type& x)
{
  return t.insert_unique(position, x);
}
// 将[first，last)区间内的元素插入到map中
template <class InputIterator>
void insert(InputIterator first, InputIterator last) {
  t.insert_unique(first, last);
}

erase

同set，直接调用即可

// 擦除指定位置的元素, 会导致内部的红黑树重新排列
void erase(iterator position) { t.erase(position); }

// 会返回擦除元素的个数, 其实就是标识map内原来是否有指定的元素
size_type erase(const key_type& x) { return t.erase(x); }
void erase(iterator first, iterator last) { t.erase(first, last); }

clean

同set，直接调用即可

void clear() { t.clear(); }

find

// 查找指定key的元素
iterator find(const key_type& x) { return t.find(x); }
const_iterator find(const key_type& x) const { return t.find(x); }
````




<div class="se-preview-section-delimiter"></div>

### 重载运算符
上面介绍到map重载了[],==和<运算符，[]的实现已经介绍过，下面是==和<的实现




<div class="se-preview-section-delimiter"></div>

```cpp
// 比较map直接是对其底层容器t的比较，直接调用RBTree的比较函数即可
template <class Key, class T, class Compare, class Alloc>
inline bool operator==(const map<Key, T, Compare, Alloc>& x,
                       const map<Key, T, Compare, Alloc>& y)
{
  return x.t == y.t;
}

template <class Key, class T, class Compare, class Alloc>
inline bool operator<(const map<Key, T, Compare, Alloc>& x,
                      const map<Key, T, Compare, Alloc>& y)
{
  return x.t < y.t;
}

其他操作函数

// 返回小于当前元素的第一个可插入的位置
iterator lower_bound(const key_type& x) {return t.lower_bound(x); }
const_iterator lower_bound(const key_type& x) const
{
  return t.lower_bound(x);
}

// 返回大于当前元素的第一个可插入的位置
iterator upper_bound(const key_type& x) {return t.upper_bound(x); }
const_iterator upper_bound(const key_type& x) const
{
  return t.upper_bound(x);
}
// 返回与指定键值相等的元素区间
pair<iterator,iterator> equal_range(const key_type& x)
{
  return t.equal_range(x);
}

multimap

multimap和map的关系就跟multiset和set的关系一样，multimap允许键的值相同，因此在插入操作的时候用到insert_equal()，除此之外，基本上与map相同。

下面就仅仅列出不同的地方

template <class Key, class T, class Compare = less<Key>, class Alloc = alloc>
class multimap
{
  // ... 其他地方与map相同
  // 注意下面这些函数都调用的是insert_equal，而不是insert_unique
  template <class InputIterator>
  multimap(InputIterator first, InputIterator last)
    : t(Compare()) { t.insert_equal(first, last); }

  template <class InputIterator>
  multimap(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp)
    : t(comp) { t.insert_equal(first, last); }

  // 插入元素, 注意, 插入的元素key允许重复
  iterator insert(const value_type& x) { return t.insert_equal(x); }

  // 在position处插入元素, 但是position仅仅是个提示, 如果给出的位置不能进行插入,
  // STL会进行查找, 这会导致很差的效率
  iterator insert(iterator position, const value_type& x)
  {
    return t.insert_equal(position, x);
  }
  // 插入一个区间内的元素
  template <class InputIterator>
  void insert(InputIterator first, InputIterator last)
  {
    t.insert_equal(first, last);
  }
  // ...其余地方和map相同
}

总结

总的来说，这四类容器仅仅只是在RBTree上进行了一层封装，首先，set和map的区别就在于键和值是否相同，set中将值作为键，支持STL的提供的一些交集、并集和差集等运算；map的键和值不同，每个键都有自己的值，键不能重复，但是值可以重复。

multimap和multiset就在map和set的基础上，使他们的键可以重复，除此之外基本等同。

关于map和set的用法，大家可以在其源代码中找到，这里就不在赘述，本系列博客也是基于源码的角度来分析这些容器。

欢迎大家关注我的个人博客，ZeeCoder’s Blog

这篇博客到此，end！

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