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c++set和pair的使用

news 来源：原创 2025/8/25 3:29:59

set是C++中的一种关联容器，具有以下特点：

存储唯一元素（不允许重复）

元素自动排序（默认升序）

基于红黑树实现（平衡二叉搜索树）

插入、删除和查找的时间复杂度为O(log n)

前言

在C++标准模板库(STL)中，set和pair是两个非常重要且常用的组件。set是一种关联式容器，提供高效的查找、插入和删除操作；pair则是将两个值组合成一个单元的实用工具。本文将深入探讨它们的特性、用法以及实际应用场景。

1. `pair` 模板类详解

1.1 `pair` 的基本概念

pair 是 C++ 标准模板库中的一个实用模板类，定义在 <utility> 头文件中。它将两个值组合成一个单元，这两个值可以是相同或不同的类型。

#include <utility>  // 包含pair的定义
#include <iostream>
using namespace std;int main() {// 创建pair的三种方式pair<int, string> p1(1, "Apple");  // 直接构造auto p2 = make_pair(2, "Banana");  // 使用make_pair函数pair<int, string> p3 = {3, "Orange"};  // C++11统一初始化// 访问pair的成员cout << "p1: " << p1.first << ", " << p1.second << endl;cout << "p2: " << p2.first << ", " << p2.second << endl;cout << "p3: " << p3.first << ", " << p3.second << endl;return 0;
}

pair<T1, T2> 模板接受两个类型参数 first 和 second 是pair的两个公有成员，用于访问存储的值 make_pair 可以自动推导类型，比直接构造更简洁

1.2 `pair` 的比较操作

pair支持比较运算符，按照字典序进行比较：先比较first，如果first相等再比较second。

pair<int, int> a(1, 2);
pair<int, int> b(1, 3);
pair<int, int> c(2, 1);cout << boolalpha;
cout << (a < b) << endl;  // true (1==1, 2<3)
cout << (a < c) << endl;  // true (1<2)
cout << (b < c) << endl;  // true (1<2)

2. `set` 容器详解

`set` 的构造和初始化

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;int main() {// 空setset<int> s1;// 初始化列表(C++11)set<int> s2 = {3, 1, 4, 1, 5};  // 实际存储1,3,4,5// 使用数组范围初始化int arr[] = {2, 4, 6, 4, 2};set<int> s3(arr, arr + 5);  // 存储2,4,6// 拷贝构造set<int> s4(s3);// 输出set内容cout << "s2: ";for(int num : s2) cout << num << " ";cout << "\ns3: ";for(int num : s3) cout << num << " ";return 0;
}

set 会自动去重和排序可以使用数组指针作为迭代器范围初始化基于范围的for循环可以方便地遍历set

`set` 的常用操作

插入元素

set<string> fruits;
fruits.insert("Apple");
fruits.insert("Banana");
fruits.insert("Orange");// 检查插入是否成功
auto ret = fruits.insert("Apple");  // 尝试重复插入
if(!ret.second) {cout << "Apple already exists in set" << endl;
}

删除元素

// 通过值删除
fruits.erase("Banana");// 通过迭代器删除
auto it = fruits.find("Orange");
if(it != fruits.end()) {fruits.erase(it);
}// 删除范围
set<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};
nums.erase(nums.find(2), nums.find(4));  // 删除[2,4)

查找元素

set<int> s = {10, 20, 30, 40, 50};// 使用find()
auto it = s.find(30);
if(it != s.end()) {cout << "Found: " << *it << endl;
}// 使用count()
if(s.count(25) > 0) {cout << "25 exists" << endl;
} else {cout << "25 doesn't exist" << endl;
}

如果找到元素：返回指向该元素的迭代器 如果找不到元素：返回 s.end()，即指向 set 末尾的迭代器（不指向任何有效元素）。

set 与 pair 的结合使用

// 使用pair作为set的元素
set<pair<int, string>> studentScores;
studentScores.insert({90, "Alice"});
studentScores.insert({85, "Bob"});
studentScores.insert({95, "Charlie"});// 遍历
for(const auto& entry : studentScores) {cout << entry.second << ": " << entry.first << endl;
}/*
输出：
Bob: 85
Alice: 90
Charlie: 95
*/

性能对比

操作	时间复杂度	说明
insert()	O(log n)	插入元素并保持有序
erase()	O(log n)	删除元素
find()	O(log n)	查找元素
count()	O(log n)	检查元素是否存在
size()	O(1)	获取元素数量
empty()	O(1)	检查是否为空

`pair`、`set` 和 `map` 的联系与区别

特性	`std::pair`	`std::set`	`std::map`
元素类型	任意两种类型的组合	单一类型	`pair<const Key, Value>`
元素数量	固定两个成员(first和second)	动态变化	动态变化
排序方式	无排序	按元素值排序	按键排序
唯一性	不适用	元素值唯一	键唯一
访问方式	直接访问.first和.second	通过迭代器	通过键或迭代器
查找效率	不适用	O(log n)	O(log n)
插入操作	直接构造	insert()/emplace()	insert()/emplace()/operator[]
典型应用场景	多返回值、map元素	需要唯一且有序的集合	键值对关联存储
内存结构	连续存储两个成员	树状结构	树状结构
修改限制	两个成员都可修改	元素不可修改(只能删除后插入)	键不可修改，值可修改

`std::set` 的 "元素值唯一"

含义：set 中存储的每个元素值都必须是唯一的，不能有重复。

std::set<int> numbers = {1, 2, 2, 3}; // 实际存储：{1, 2, 3}

底层机制：set 在插入新元素时，会检查是否已存在相同的值。如果存在，则不会插入。

`std::map` 的 "键唯一"

含义：map 中每个元素的键（key）必须是唯一的，但值（value）可以重复

std::map<std::string, int> ages = {{"Alice", 25},{"Bob", 25},    // 值可以重复{"Alice", 30}   // 键重复！第二个 "Alice" 会覆盖第一个
};

两个键 "Alice" 冲突时，后者会覆盖前者的值（最终 "Alice" 对应 30）。值 25 可以重复出现（如 "Alice" 和 "Bob" 的值都是 25）

总结

pair 和 set 是C++ STL中非常重要的两个组件：

pair 用于将两个值组合成一个单元 set 用于维护一个唯一、有序的集合

它们可以单独使用，也可以结合使用（例如 set<pair<T1, T2>>）。理解它们的特性和正确使用方式，可以大大提高C++编程的效率和质量。

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