序列式容器和关联式容器

  • 序列式容器是逻辑结构为线性序列的数据结构，如：string、vector、list、deque、array、forward_list等，两个位置存储的值之间⼀般没有紧密的关联关系，比如交换一下，他依旧是序列式容器。顺序容器中的元素是按他们在容器中的存储位置来顺序保存和访问的。
  • 关联式容器也是用来存储数据的，与序列式容器不同的是，关联式容器逻辑结构通常是非线性结构，两个位置有紧密的关联关系，交换一下，他的存储结构就被破坏了。顺序容器中的元素是按关键字来保存和访问的。关联式容器有map/set系列和unordered_map/unordered_set系列。
  • map和set底层是红黑树，红黑树是⼀颗平衡二叉搜索树。set是key搜索场景的结构，map是key/value搜索场景的结构。

set系列的使用

set和multiset的参考文档

https://legacy.cplusplus.com/reference/set/

set类的介绍

set的声明如下：

template < class T, // set::key_type/value_type
 class Compare = less<T>, // set::key_compare/value_compare
 class Alloc = allocator<T> // set::allocator_type
 > class set;
  • T就是set底层关键字的类型
  • set默认要求T支持小于比较，如果不支持或者想按自己的需求走可以自行实现仿函数传给第二个模版参数
  • set底层存储数据的内存是从空间配置器申请的，如果需要可以自己实现内存池，传给第三个参数

set底层是用红黑树实现，增删查效率是O（logN） ，迭代器遍历是走的搜索树的中序，所以是有序的。

set的构造和迭代器

set的构造的常用接口说明
set的支持正向和反向迭代遍历，遍历默认按升序顺序，因为底层是二叉搜索树，迭代器遍历走的中序；支持迭代器就意味着支持范围for，set的iterator和const_iterator都不支持迭代器修改数据，修改关键字数据，破坏了底层搜索树的结构

// 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();

set的增删查

Member types
key_type -> The first template parameter (T)
value_type -> The first template parameter (T)
// 单个数据插⼊，如果已经存在则插⼊失败 
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val，返回val所在的迭代器，没有找到返回end() 
iterator find (const value_type& val);
// 查找val，返回Val的个数 
size_type count (const value_type& val) const;
// 删除⼀个迭代器位置的值 
iterator erase (const_iterator position);
// 删除val，val不存在返回0，存在返回1 
size_type erase (const value_type& val);
// 删除⼀段迭代器区间的值 
iterator erase (const_iterator first, const_iterator last);
// 返回⼤于等val位置的迭代器 
iterator lower_bound (const value_type& val) const;
// 返回⼤于val位置的迭代器 
iterator upper_bound (const value_type& val) const;

insert和迭代器遍历的使用样例

#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;
 s.insert(5);
 s.insert(2);
 s.insert(7);
 s.insert(5);
 //set<int>::iterator it = s.begin();
 auto it = s.begin();
 while (it != s.end())
 {
 // error C3892: “it”: 不能给常量赋值 
 // *it = 1;
 cout << *it << " ";
 ++it;
 }
 cout << endl;
 // 插⼊⼀段initializer_list列表值，已经存在的值插⼊失败 
 s.insert({ 2,8,3,9 });
 for (auto e : s)
 {
 cout << e << " ";
 }
 cout << endl;
 set<string> strset = { "sort", "insert", "add" };
 // 遍历string⽐较ascll码⼤⼩顺序遍历的 
 for (auto& e : strset)
 {
 cout << e << " ";
 }
 cout << endl;
}

find和erase的使用样例

#include<iostream>
#include<set>
using namespace std;
int main()
{
 set<int> s = { 4,2,7,2,8,5,9 };
 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;
 // 直接删除x 
 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;
 // 直接查找在利⽤迭代器删除x 
 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;
 // 算法库的查找 O(N) 
 auto pos1 = find(s.begin(), s.end(), x); 
 // set⾃⾝实现的查找 O(logN) 
 auto pos2 = s.find(x); 
 return 0;
}

count和lower_bound/upper_bound的使用样例

#include<iostream>
#include<set>
using namespace std;
int main()
{
set<int> s = { 4,2,7,2,8,5,9 };
// 利⽤count间接实现快速查找 
 cin >> x;
 if (s.count(x)) 
 {
 cout << x << "在！" << endl;
 }
 else
 {
 cout << x << "不存在！" << endl;
 }

 std::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 >= 30 
 auto itlow = myset.lower_bound(30);
 // 返回 > 60 
 auto 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;
}

set和multiset的差异

multiset和set的使用基本完全类似，主要区别点在于multiset支持值冗余，那么insert/find/count/erase都围绕着支持值冗余有所差异

#include<iostream>
#include<set>
using namespace std;
int main()
{
 // 相⽐set不同的是，multiset是排序，但是不去重 
 multiset<int> s = { 4,2,7,2,4,8,4,5,4,9 };
 auto it = s.begin();
 while (it != s.end())
 {
 cout << *it << " ";
 ++it;
 }
 cout << endl;
 
 // 相⽐set不同的是，x可能会存在多个，find查找中序的第⼀个 
 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给值时会删除所有的x 
 s.erase(x);
 for (auto e : s)
 {
 cout << e << " ";
 }
 cout << endl;
 return 0;
}

相关OJ题

class Solution {
public:
    vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {
        vector<int> res;
        set<int> s1(nums1.begin(),nums1.end());
        set<int> s2(nums2.begin(),nums2.end());
        auto it1=s1.begin(),it2=s2.begin();
        while(it1!=s1.end()&&it2!=s2.end())
        {
            if(*it1<*it2)
            {
                it1++;
            }
            else if(*it2<*it1)
            {
                it2++;
            }
            else{
                res.push_back(*it1);
                it1++;
                it2++;
            }
        }
        return res;
    }
};

class Solution {
public:
    ListNode *detectCycle(ListNode *head) {
        ListNode* cur=head;
        set<ListNode*> s;
        while(cur)
        {
            for(auto e:s)
            {
                if(cur==e)
                return cur;
            }
            
            s.insert(cur);
            cur=cur->next;
        }
        return nullptr;
    }
};

map系列的使用

map和multimap的参考文档

https://legacy.cplusplus.com/reference/map/

map类的介绍

map的声明如下：

template < class Key, // map::key_type
 class T, // map::mapped_type
 class Compare = less<Key>, // map::key_compare
 class Alloc = allocator<pair<const Key,T> > // 
map::allocator_type
 > class map;
  • Key就是map底层关键字的类型
  • T是map底层value的类型
  • set默认要求Key支持小于比较，如果不支持或者有特殊需要的话可以自行实现仿函数传给第二个模版参数
  • map底层存储数据的内存是从空间配置器申请的，map底层的红黑树节点中的数据，使用pair<Key,T>存储键值对数据

map底层是用红黑树实现，增删查改效率是O(logN) ，迭代器遍历是走的中序遍历，所以是按key有序顺序遍历的

pair类型介绍

map底层的红黑树节点中的数据，使用pair<Key,T>存储键值对数据

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) );
}

map的构造和增删查

  • map的构造的常用接口
// 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());
  • map的支持正向和反向迭代遍历，遍历默认按key的升序顺序，因为底层是二叉搜索树，迭代器遍历走的中序；支持迭代器就意味着支持范围for，map支持修改value数据，不支持修改key数据，修改关键字数据，破坏了底层搜索树的结构。
// 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();
  • map增接，插⼊的pair键值对数据，跟set所有不同
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 
//这里返回值不是bool，后续再详细探索
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);
  • 查和删的接口只用关键字key跟set是完全类似的，不过find返回iterator，不仅仅可以确认key在不在，还找到key映射的value，同时通过迭代还可以修改value
// 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;

构造遍历及增删查使用样例

#include<iostream>
#include<map>
using namespace std;
int main()
{
 // initializer_list构造及迭代遍历 
 map<string, string> dict = { {"left", "左边"}, {"right", "右边"},
{"insert", "插⼊"},{ "string", "字符串" } };
 
 //map<string, string>::iterator it = dict.begin();
 auto it = dict.begin();
 while (it != dict.end())
 {
 //cout << (*it).first <<":"<<(*it).second << endl;
 
 // map的迭代基本都使⽤operator->,这里省略了⼀个-> 
 // 第⼀个->是迭代器运算符重载，返回pair*，第⼆个箭头是结构指针解引⽤取
pair数据 
 //cout << it.operator->()->first << ":" << it.operator->()-
>second << endl;
 cout << it->first << ":" << it->second << endl;
 ++it;
 }
 cout << endl;
 // insert插⼊pair对象的4种方式，对⽐之下，最后一种最方便 
 pair<string, string> kv1("first", "第⼀个");
 dict.insert(kv1);
 dict.insert(pair<string, string>("second", "第⼆个"));
 dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
 dict.insert({ "auto", "⾃动的" });
 // "left"已经存在，插⼊失败 
 dict.insert({ "left", "左边，剩余" });
 
 // 范围for遍历 
 for (const auto& e : dict)
 {
 cout << e.first << ":" << e.second << endl;
 }
 cout << 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;
 }
 }
 
 // erase等接口跟set完全类似
 return 0;
}

map的数据修改

  • map支持修改mapped_type数据，不⽀持修改key数据，修改关键字数据，破坏了底层搜索树的结构
  • map第⼀个支持修改的方式时通过迭代器，迭代器遍历时或者find返回key所在的iterator修改
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);
  • map第二个，也是非常重要的修改接口operator[]，但是operator[]不仅仅支持修改，还支持插入数据和查找数据，所以他是⼀个多功能复合接口
mapped_type& operator[] (const key_type& k);
  • operator[]的底层其实是通过insert实现的，所以我们先对insert进行了解（之前在增部分没有了解到的insert的返回值是什么？）
pair<iterator,bool> insert (const value_type& val);
// 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 the element 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 key already 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 
// 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>
  • 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，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;
}

map的迭代器和[]功能使用样例

  • 使用find和iterator修改功能
#include<iostream>
#include<map>
#include<string>
using namespace std;
int main()
{
// 利⽤find和iterator修改功能，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;
 for (const auto& str : arr)
 {
 // 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, 1} 
 // 2、在，则查找到的节点中⽔果对应的次数++ 
 auto ret = countMap.find(str);
 if (ret == countMap.end())
 {
 countMap.insert({ str, 1 });
 }
 else
 {
 ret->second++;
 }
 }
 for (const auto& e : countMap)
 {
 cout << e.first << ":" << e.second << endl;
 }
 cout << endl;
 return 0;
}
  • 使用[]插入+修改功能
#include<iostream>
#include<map>
#include<string>
using namespace std;
int main()
{
 // 利⽤[]插⼊+修改功能，巧妙实现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;
 for (const auto& str : arr)
 {
 // []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, 0}，同时返回次数的引⽤，++⼀下就变成1次了 
 // 2、在，则返回⽔果对应的次数++ 
 countMap[str]++;
 }
 for (const auto& e : countMap)
 {
 cout << e.first << ":" << e.second << endl;
 }
 cout << endl;
 return 0;
}

#include<iostream>
#include<map>
#include<string>
using namespace std;
int main()
{
 map<string, string> dict;
 dict.insert(make_pair("sort", "排序"));
 // key不存在->插⼊ {"insert", string()} 
 dict["insert"];
 // 插⼊+修改 
 dict["left"] = "左边";
 // 修改 
 dict["left"] = "左边、剩余";
 // 前提key存在->查找 
 cout << dict["left"] << endl;
 return 0;
}

multimap和map的差异

multimap和map的使用基本完全类似，主要区别点在于multimap支持关键值key冗余，那么insert/find/count/erase都围绕着支持关键值key冗余有所差异，这里跟set和multiset完全⼀样，比如find时，有多个key，返回中序第⼀个。其次就是multimap不支持[]，因为支持key冗余，[]就只能支持插入了，不能支持修改。

相关oj题

随机链表的复制——力扣（LeetCode）

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* next;
    Node* random;
    
    Node(int _val) {
        val = _val;
        next = NULL;
        random = NULL;
    }
};
*/

class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        Node* cur=head;
        list<Node> copy;
        Node* copyhead=nullptr,*copytail=nullptr;
        map<Node*,Node*> m;
        while(cur)
        {
            Node* copynode=new Node(cur->val);
            if(copytail==nullptr)
            {
                copyhead=copytail=copynode;
            }
            else
            {
                copytail->next=copynode;
                copytail=copynode;
            }
            m[cur]=copynode;
            cur=cur->next;
        }
       cur=head;
       while(cur)
       {
            m[cur]->random=m[cur->random];
            cur=cur->next;
       }
       return copyhead;
    }
};

前K个高频单词——力扣（LeetCode）

class Solution {
public:
    template<class T>
    class compare
    {
    public:
        bool operator()(const T& x,const T& 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> m;
        for(auto e:words)
        {
            m[e]++;
        }
        priority_queue<pair<string,int>,vector<pair<string,int>>,compare<pair<string,int>>> q(m.begin(),m.end());
        vector<string> res;
        for(int i=0;i<k;i++)
        {
            res.push_back(q.top().first);
            q.pop();
        }
        return res;
    }
};
# c++
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