【C++】map和set的使用

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1. 序列式容器和关联式容器

1.1 序列式容器

• 核心特征
  • 按插入顺序存储：元素的物理存储顺序与插入顺序一致。
  • 允许重复元素：可以存储多个相同的值。
  • 通过位置访问：通过索引（如数组）或迭代器直接访问元素。
• 常见容器
  • vector:动态数组，支持快速随机访问，尾部插入高效。
  • list:双向链表，支持快速插入/删除，但随机访问效率低。
  • deque:双端队列，支持头尾高效插入/删除。
  • array:固定大小数组，编译时确定大小。
  • forward_list:单向链表，内存占用更小。
• 适应场景
  • 需要保持插入顺序（如日志记录，操作历史）。
  • 频繁通过索引随机访问（如vector的[ ]操作）。
  • 需要高效头尾操作（如deque）。

1.2 关联式容器

• 核心特征
  • 按键存储：元素基于键值对（key-value）键本身存储。
  • 自动排序：元素按键的排序规则（默认升序）组织。
  • 唯一性：set和map要求键唯一；multiset和multimap允许重复键。
• 常见容器
  • set:存储唯一键的有序集合。
  • map:存储键值对的有序映射。
  • multiset:允许重复键的有序集合。
  • multimap:允许重复键的有序映射。
• 适用场景
  • 需要快速查找（如字典，数据库索引）。
  • 需自动排序（如排行榜，有序事件调度）。
  • 需要唯一性约束（如用户ID管理）。

2. set系列的使用

2.1 set和multiset的参考文档

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2.2 set类的介绍

• set的声明如下，T就是set底层关键字的类型。
• set默认要求T支持小于比较，如果不支持，可以手动实现一个仿函数传给第二个模板参数。
• set底层存储数据的内存是从空间配置器上申请的，如果需要可以自己手动实现一个内存池，传给第三个参数。
• 一般情况下我们都不需要传后面的两个模板参数。
• set的底层是用红黑树实现的，增删查的效率是O（logn）,迭代器遍历走的是搜索树的中序遍历，所以遍历后的元素是有序的。

template < class T,                        // set::key_type/value_typeclass Compare = less<T>,        // set::key_compare/value_compareclass Alloc = allocator<T>      // set::allocator_type> class set;

2.3 set的构造函数和迭代器

set的构造我们只需关注一下几个即可

//empty (1) 无参默认构造
explicit set(const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());// range (2) 迭代器区间构造 
template <class InputIterator>
set(InputIterator first, InputIterator last,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type & = allocator_type());// copy (3) 拷⻉构造 
set (const set& x);// initializer list (5) initializer 列表构造 
set (initializer_list<value_type> il,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());

迭代器

// 迭代器是⼀个双向迭代器 
iterator -> a bidirectional iterator to const value_type// 正向迭代器 
iterator begin();
iterator end();// 反向迭代器 
reverse_iterator rbegin();
reverse_iterator rend();

2.4 set的增删查

#include <iostream>
#include <set>using namespace std;int main()
{//去重+升序排序set<int> s;//去重+降序排序，给一个大于的仿函数//set<int, greater<int>> s;//set<int, greater<int>> s = {1,2,7,4,9,6,}; initializer_list初始化s.insert(2);s.insert(1);s.insert(5);s.insert(6);//set<int> iterator it =  s.begin();auto it = s.begin();while (it != s.end()){//*it = 1;不能修改里面的值cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//插入一段initilizer_list的值,已经存在则插入失败s.insert({1,5,3,2,7,9});for (auto e : s){cout << e << " ";}cout << endl;//插入string类对象，string类对象比较是按照ascll码来比较大小的set<string> strset = {"sort","add","insert"};for (auto &e : strset){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

2.5 find和erase的使用样例

erase,find的使用案例：

int main()
{set<int> s = {2,7,4,3,1,9,5,0};for (auto& e : s){cout << e << " ";}cout << endl;//删除最小值s.erase(s.begin());for (auto& e : s){cout << e << " ";}cout << endl;//删除输入的值，这个值有可能在，也有可能不在int x;cin >> x;int num = s.erase(x);if (num == 0){cout << x  << "不存在!" << endl;}for (auto& e : s){cout << e << " ";}cout << endl;//直接查找，再利用迭代器删除cin >> x;auto pos = s.find(x);if (pos != s.end()){s.erase(pos);}else{cout << x << "不存在" << endl;}for (auto& e : s){cout << e << " ";}cout << endl;//算法库中的查找O（n） 不会这样使用auto pos1 = find(s.begin(), s.end(), x);//set自己实现的查找O（logn）auto pos2 = s.find(x);//利用cout快速实现间接查找cin >> x;if (s.count(x)){cout << x << "在!" << endl;}else{cout << x << "不存在!" << endl;}return 0;
}

删除一段区间的值

int main()
{set<int> myset;for (int i = 1; i < 10; i++){myset.insert(i * 10);//10 20 30 40 50 60 70 80 90}for (auto e : myset){cout << e << " ";}cout << endl;//实现查找到的[itlow,itup]包含[30,60]区间//返回>=30auto itlow = myset.lower_bound(30);//返回>60auto itup = myset.upper_bound(60);//删除这段区间的值myset.erase(itlow,itup);for (auto e : myset){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

2.6 multiset和set的差异

multiset和set基本完全相似，主要的区别点在于multiset支持键值冗余，那么insert/find/count/erase都围绕着支持键值冗余有所差异。

int main()
{multiset<int> s = {4,6,4,3,6,7,8,9,2,5,3,7,8,9};auto it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//相比较set不同的是，x可能会存在多个，find查找的是中序的第一个int x;cin >> x;auto pos = s.find(x);while (pos != s.end() && *pos == x){cout << *pos << " ";++pos;}cout << endl;//相比set不同的是count会返回x的实际个数cout << s.count(x) << endl;//相比set不同的是erase会删掉里面的所有的xs.erase(x);for (auto e : s){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

2.7 两个数组的交集 - 力扣（LeetCode）

题目连接： 349. 两个数组的交集
解题思路：
两个数组依次比较，小的++，相等的就是交集，同时++，其中一个结束就结束了

代码实现：

class Solution {
public:vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {//这里用set实现了对数组的排序+去重set<int> s1(nums1.begin(),nums1.end());//用一段迭代器区间初始化set<int> s2(nums2.begin(),nums2.end());//小的++，相等就是交集vector<int> ret;auto it1 = s1.begin();auto it2 = s2.begin();while(it1 != s1.end() && it2 != s2.end()){if(*it1 < *it2) it1++;else if (*it1 > *it2) it2++;else {ret.push_back(*it1);it1++;it2++;}}return ret;}
};

2.8 环形链表 II - 力扣（LeetCode）

题目链接： 142. 环形链表 II
解题思路：
遍历这个环形链表，如果count为0,就把此节点插入进set,如果不为0,则此节点为入口点。
代码实现：

class Solution {
public:ListNode *detectCycle(ListNode *head) {set<ListNode*> s;ListNode* cur = head;while(cur){if(s.count(cur))return cur;//等于1即为入口点elses.insert(cur);cur = cur -> next;}return nullptr;}
};

3. map系列的使用

3.1 map和multimap的参考文档

点击快速到达

3.2 map类的介绍

map的声明如下，Key就是map底层关键字的类型，T是map底层Value的类型，map默认要求Key支持小于比较，如果不支持或者需要的话可以自行实现仿函数传给第二个模板参数。map底层存储数据的内存是从空间配置器申请的。一般情况下我们都不需要传后面两个模板参数。map的底层使用红黑树实现的，增删查改的效率是O（logn）,迭代器遍历走的是中序遍历,所以Key的值是有序的。

template < class Key, // map::key_typeclass T, // map::mapped_typeclass Compare = less<Key>, // map::key_compareclass Alloc = allocator<pair<const Key,T> > // 
map::allocator_type> class map

3.3 pair类型介绍

map底层红黑树节点中的数据，使用pair<Key,T>存储键值对数据。
pair是一个类模板，里面有两个成员变量，一个是first,一个是second。

typedef pair<const Key, T> value_type;
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){}template<class U, class V>pair(const pair<U, V>& pr) : first(pr.first), second(pr.second){}
};template <class T1, class T2>
inline pair<T1, T2> make_pair(T1 x, T2 y)
{return (pair<T1, T2>(x, y));
}

3.4 map的构造

map的构造我们只需关注以下接口即可
map支持正向迭代器遍历和反向迭代器遍历，遍历默认按Key的升序，因为底层是二叉搜索树，走的是中序遍历。支持迭代器也就支持范围for。map支持value数据的修改，但不支持Key的修改。修改关键字的数据破坏了底层搜索树的结构。

// empty (1) ⽆参默认构造 
explicit map (const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());// range (2) 迭代器区间构造 
template <class InputIterator>map (InputIterator first, InputIterator last,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& = allocator_type());// copy (3) 拷⻉构造 
map (const map& x);// initializer list (5) initializer 列表构造 
map (initializer_list<value_type> il,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type());// 迭代器是⼀个双向迭代器 
iterator -> a bidirectional iterator to const value_type
// 正向迭代器 
iterator begin();
iterator end();
// 反向迭代器 
reverse_iterator rbegin();
reverse_iterator rend();

3.5 map的增删查

map的增删查关注以下接口即可
map的增接口，插入的是pair的键值对数据，跟set有所不同，但是查和删的接口只用关键字Key,跟set完全相似。不过fin返回的是iterator,不仅仅可以找到Key在不在，还能找到映射的Value,同时通过迭代还能修改Value。

Member types
key_type->The first template parameter(Key)
mapped_type->The second template parameter(T)
value_type->pair<const key_type, mapped_type>
// 单个数据插⼊，如果已经key存在则插⼊失败,key存在相等value不相等也会插⼊失败 
pair<iterator, bool> insert(const value_type& val);
// 列表插⼊，已经在容器中存在的值不会插⼊ 
void insert(initializer_list<value_type> il);
// 迭代器区间插⼊，已经在容器中存在的值不会插⼊ 
template <class InputIterator>
void insert(InputIterator first, InputIterator last);
// 查找k，返回k所在的迭代器，没有找到返回end() 
iterator find(const key_type& k);
// 查找k，返回k的个数 
size_type count(const key_type& k) const;
// 删除⼀个迭代器位置的值 
iterator erase(const_iterator position);
// 删除k，k存在返回0，存在返回1 
size_type erase(const key_type& k);
// 删除⼀段迭代器区间的值 
iterator erase(const_iterator first, const_iterator last);
// 返回⼤于等k位置的迭代器 
iterator lower_bound(const key_type& k);
// 返回⼤于k位置的迭代器 
const_iterator lower_bound(const key_type& k) const;

3.6 map的数据修改

map第一个支持修改的方式是通过迭代器，迭代器遍历时或者find返回Key所在的iterator修改。map还有一个非常重要的修改接口operator[],但是operator[]不仅仅支持数据的修改，还支持插入数据和查找数据，所以它是一个多功能复合接口。

Member types
key_type->The first template parameter(Key)
mapped_type->The second template parameter(T)
value_type->pair<const key_type, mapped_type>
// 查找k，返回k所在的迭代器，没有找到返回end()，如果找到了通过iterator可以修改key对应的mapped_type值
iterator find(const key_type& k);
// ⽂档中对insert返回值的说明 
// The single element versions (1) return a pair, with its member pair::first set to an iterator pointing to either the newly inserted element or to theelement with an equivalent key in the map.The pair::second element in the pairis set to true if a new element was inserted or false if an equivalent keyalready existed.
// insert插⼊⼀个pair<key, T>对象 
// 1、如果key已经在map中，插⼊失败，则返回⼀个pair<iterator,bool>对象，返回pair对象first是key所在结点的迭代器，second是false
// 2、如果key不在map中，插⼊成功，则返回⼀个pair<iterator,bool>对象，返回pair对象first是新插⼊key所在结点的迭代器，second是true
// 也就是说⽆论插⼊成功还是失败，返回pair<iterator,bool>对象的first都会指向key所在的迭代器
// 那么也就意味着insert插⼊失败时充当了查找的功能，正是因为这⼀点，insert可以⽤来实现
operator[]
// 需要注意的是这⾥有两个pair，不要混淆了，⼀个是map底层红⿊树节点中存的pair<key, T>，另⼀个是insert返回值pair<iterator, bool>
pair<iterator, bool> insert(const value_type & val);
mapped_type& operator[] (const key_type& k);
// operator的内部实现 
mapped_type& operator[] (const key_type& k)
{// 1、如果k不在map中，insert会插⼊k和mapped_type默认值（默认值是用默认构造构造的），同时[]返回结点中存储mapped_type值的引⽤，那么我们可以通过引⽤修改返映射值。所以[]具备了插⼊ + 修改功能// 2、如果k在map中，insert会插⼊失败，但是insert返回pair对象的first是指向key结点的迭代器，返回值同时[]返回结点中存储mapped_type值的引⽤，所以[]具备了查找 + 修改的功能pair<iterator, bool> ret = insert({ k, mapped_type() });iterator it = ret.first;return it->second;
}

3.7 构造遍历以及增删查改样例

#include <map>int main()
{pair<string, string> kv1 = {"left","左边"};//initializer_list构造以及迭代遍历map<string, string> dict = { {"left","左边"},{"right","右边"},{"insert","插入"},{"erase","删除"}};map<string, string>::iterator it = dict.begin();while (it != dict.end()){//cout << *it << " "; //pair不支持流提取和流插入，是一个结构体//cout << (*it).first << ":" << (*it).second << endl;;cout << it->first << ":" << it->second << endl;//cout << it.operator->()->first << ":" << it.operator->()->second << endl;//原生写法++it;}//map的插入//insert插入pair的四种方式，对比之下最后一种最方便pair<string, string> kv2("first","第一个");dict.insert(kv2);//匿名对象dict.insert(pair<string, string>("second", "第二个"));//make_pairdict.insert(make_pair("sort","排序"));//make_pair是一个函数模板，不用声明模板参数，自己推导，在底层构造一个pair对象再返回//最后一种最好用dict.insert({"auto","自动的"});//支持隐式类型转换//支持范围for遍历for (auto& e : dict){cout << e.first << ":" << e.second << endl;}cout << endl;//结构化绑定 C++17//for (const auto& [k,v] : dict)//{//	cout << k << ":" << v << endl;//}string str;while (cin >> str){auto ret = dict.find(str);if (ret != dict.end()){cout << "->" << ret->second << endl;}else{cout << "无此单词，请重新输入" << endl;}}//first是不能被修改的，但是second可以被修改return 0;
}

3.8 map的迭代器功能和[]功能样例

• 统计水果出现的次数

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>using namespace std;int main()
{//统计水果出现的次数string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜","苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉" };map<string, int> countMap;//先查找水果在不在map中//1.不在，说明水果第一次出现，则插入水果{水果，1}//2.在，则查找到的水果对应的次数+1for (const auto& str : arr){auto ret = countMap.find(str);if (ret == countMap.end())//则证明在{countMap.insert({str,1});}//否则，在else{ret->second++;}}//countMap[str]++; 第二种写法for (const auto& e : countMap){cout << e.first << ":" << e.second << endl;}cout << endl;return 0;
}

3.9 multimap和map的差异

multimap和map的使用基本完全类似，主要区别是multimap支持关键字Key冗余，那么insert/find/count/erase都围绕着支持键值冗余有所差异。这里和set和multiset基本一样，比如find时有多个key返回中序中的第一个。其次是multimap不支持[],因为支持key冗余，[]就只能支持插入了，不支持修改。

3.10 随机链表的复制 - 力扣（LeetCode）

题目连接： 138. 随机链表的复制
解题思路： 让原链表与拷贝链表通过map建立映射关系
代码实现：

class Solution {
public:Node* copyRandomList(Node* head) {map<Node*,Node*> nodeMap;Node* copyhead = nullptr,*copytail = nullptr;//定义一个头一个尾Node* cur = head;while(cur){//如果为空if(copytail == nullptr){copyhead = copytail = new Node(cur->val);}//如果不为空else{copytail->next = new Node(cur->val);copytail = copytail->next;}//让原节点和拷贝节点建立mapnodeMap[cur] = copytail;cur = cur->next;}//处理randomcur = head;Node* copy = copyhead;while(cur){//原链表的random为空，则拷贝链表的random也为空if(cur->random == nullptr){copy->random = nullptr;}else{copy->random = nodeMap[cur->random];}cur = cur->next;copy = copy->next;}return copyhead;}
};

3.11 前K个高频单词 - 力扣（LeetCode）

题目链接： 692. 前K个高频单词
解题思路1：
用排序找前k个单词，因为map中已经对Key单词排序过，也就意味着遍历map时次序相同的单词，字典序小的在前面，字典序大的在后面，那么我们将数据放到vector中用一个稳定的排序就可以实现上面特殊的要求，但sort底层是快排，是不稳定的，所以我们要用table_sort,是稳定的。

代码实现：

class Solution {
public:struct Compare{bool operator()(const pair<string,int>& kv1,const pair<string,int>& kv2){return kv1.second > kv2.second;}}; vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) {//统计次数map<string,int> countMap;for(auto &str : words){countMap[str]++;}vector<pair<string,int>> v(countMap.begin(),countMap.end());//迭代器区间初始化stable_sort(v.begin(),v.end(),Compare());vector<string> retv;for(size_t i = 0; i < k ; ++i){retv.push_back(v[i].first);//取的是每个pair对象中的单词}return retv;}
};

解题思路2：
将map统计出来的次序，放到vector中排序，或者放到priority_queue中选出前k个，利用仿函数强制控制次数相等的，字典序小的在前面。
代码实现：

class Solution {
public:struct Compare{bool operator()(const pair<string, int>& x, const pair<string, int>& y){return x.second > y.second || (x.second == y.second && x.first < y.first);;}};vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) {map<string, int> countMap;for (auto& e : words){countMap[e]++;}vector<pair<string, int>> v(countMap.begin(), countMap.end());// 仿函数控制降序,仿函数控制次数相等，字典序⼩的在前⾯ sort(v.begin(), v.end(), Compare());// 取前k个 vector<string> strV;for (int i = 0; i < k; ++i){strV.push_back(v[i].first);}return strV;}
};

class Solution {
public:struct Compare{bool operator()(const pair<string, int>& x, const pair<string, int>& y)const{// 要注意优先级队列底层是反的，⼤堆要实现⼩于⽐较，所以这⾥次数相等，想要字典序⼩的在前⾯要⽐较字典序⼤的为真return x.second < y.second || (x.second == y.second && x.first > y.first);}};vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k){map<string, int> countMap;for (auto& e : words){countMap[e]++;}// 将map中的<单词，次数>放到priority_queue中，仿函数控制⼤堆，次数相同按照字典序规则排序priority_queue<pair<string, int>, vector<pair<string, int>>, Compare>p(countMap.begin(), countMap.end());vector<string> strV;for (int i = 0; i < k; ++i){strV.push_back(p.top().first);p.pop();}return strV;}

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