C++ 关联容器

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内容主要涉及map, set, multimap和multiset四类容器。

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概述

关联容器(Associative Container)与顺序容器(Sequential Container)的本质区别在于：关联容器是通过键(key)存储和读取元素的，而顺序容器则通过元素在容器中的位置顺序存储和访问元素。

关联容器支持通过键来高效地查找和读取元素，两个基本的关联容器是map和set。map的元素是“键-值”对的二元组形式：键用作元素在map中的索引，而值则表示所存储和读取的数据。set仅包含一个键，并有效地支持关于某个键是否存在的查询。set和map类型的对象所包含的元素都具有不同的键。如果需要一个键对应多个实例，则需要使用multimap或multiset类型。这两种类型允许多个元素拥有相同的键。

map	关联数组：元素通过键来存储和读取
set	大小可变的集合，支持通过键实现的快速读取
multimap	支持同一个键多次出现的map类型
multiset	支持同一个键多次出现的set类型

pair类型

pair模板类用来绑定两个对象为一个新的对象，该类型在<utility>头文件中定义。pair类型提供的操作如下表：

pair<T1, T2> p1;	创建一个空的pair对象，它的两个元素分别是T1和T2类型，采用值初始化
pair<T1, T2> p1(v1, v2);	创建一个pair对象，它的两个元素分别是T1和T2类型，其中first成员初始化为v1，second成员初始化为v2
make_pair(v1, v2)	以v1和v2值创建一个新的pair对象，其元素类型分别是v1和v2的类型
p1 < p2	字典次序：如果p1.first<p2.first或者!(p2.first < p1.first)&& p1.second<p2.second，则返回true
p1 == p2	如果两个pair对象的first和second成员依次相等，则这两个对象相等。
p.first	返回p中名为first的（公有）数据成员
p.second	返回p中名为second的（公有）数据成员

关联容器

关联容器共享大部分顺序容器的操作，但不提供front, push_front, back, push_back以及pop_back操作。

具体而言，有顺序容器中的：前三种构造函数；关系运算；begin, end, rbegin和rend操作；类型别名；swap和赋值操作，但关联容器不提供assign函数；clear和erase函数，但erase函数返回 void类型；关于容器大小的操作，但resize函数不能用于关联容器。

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map类型

map类型定义在头文件<map>中。map是键-值对的集合，通常看作关联数组：可使用键作为下标来获取一个值。map类定义内部定义的类型有key_type, mapped_type, value_type，如下表所示：

map<K, V>::key_type	在map容器内，用做索引的键的类型
map<K, V>::mapped_type	在map容器中，键所关联的值的类型
map<K, V>::value_type	map的值类型：一个pair类型，它的first元素具有 const map<K, V>::key_type类型，而second元素 则为map<K, V>::mapped_type类型

注意：map的元素类型为pair类型，且键成员不可修改。其它类型别名与顺序容器一样。

map对象的定义

map<K, V> m;	创建一个名为m的空map对象，其键和值的类型分别为K和V
map<K, V> m(m2);	创建m2的副本m，m与m2必须有相同的键类型和值类型
map<k, V> m(b, e);	创建map类型的对象m，存储迭代器b和e标记的范围内所有元素的副本。元素的类型必须能转换为pair<const k, v>

键类型的约束

在使用关联容器时，它的键不但有一个类型，而且还有一个相关的比较函数。默认情况下，标准库使用键类型定义的 < 操作符来实现键的比较。这个比较函数必须满足：当一个键和自身比较时，结果必定是false；当两个键之间都不存在“小于”关系时，则容器将之视为相同的键。也就是说，map内的元素按键值升序排列。

operator[]

A::reference operator[](const Key& key);

[]操作符返回键key所关联的值的引用；如果该键key不存在，则向map对象添加一个新的元素，元素的键为key，所关联的值采用值初始化。（要特别留意这个副作用）

注：map下标操作符返回的类型（mapped_type&）与对map迭代器进行解引用获得的类型(value_type)不相同。

例如：

map <string, int> wordCount; // empty map

word_count["Hello"] = 1;

上面的代码首先创建一个空的map对象，然后执行下列步骤：

1）在wordCount中查找键为“Hello”的元素，没有找到；

2）将一个新的键-值对插入到wordCount中，其中，键为“Hello”，值为0

3）读取新插入的键-值对的值，并将它的值赋为1。

应用实例，下面的程序用来统计一篇英文文章中单词出现的频率：

#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;

int main()
{
map<string, int> wordCount;
string word;
while (cin >> word)
++wordCount[word];

for (map<string, int>::iterator it = wordCount.begin(); it != wordCount.end(); ++it)
cout<<"Word: "<<(*it).first<<" /tCount: "<<(*it).second<<endl;

return 0;
}

map::insert

m.insert(e)	e是一个用在m上的value_type类型的值，如果键(e.first)不在m中，则插入e到m中；如果键已经在m中存在，则保持m不变。 该函数返回一个pair类型对象，如果发生了插入动作，则返回pair(it, true)；否则返回pair(it, false)。其中，it是指向键为e.first那个元素的迭代器。
m.insert(beg, end)	beg和end是标记元素范围的迭代器，其中的元素必须为value_type类型的键-值对。对于该范围内的所有元素，如果它的键在m中不存在，则将该键及其关联的值插入到m。返回void类型。
m.insert(iter, e)	insert(e)，并以iter为起点搜索新元素的位置。返回一个迭代器，指向m中键为e.first的元素。

注：当需要插入一个map元素时，一是可以用map::value_type来构造一个pair对象，另外，也可以用make_pair来构造这个对象。

查找元素

m.count(k)	返回m中k的出现次数（0或1）
m.find(k)	如果容器中存在键为k的元素，则返回指向该元素的迭代器。 如果不存在，则返回end()值。

删除元素

m.erase(k)	删除m中键为k的元素，返回size_type类型的值，表示删除的元素个数（0或1）
m.erase(p)	从m中删除迭代器p所指向的元素。p必须指向m中确实存在的元素，而且不能等于e.end()。返回void类型
m.erase(b, e)	从m中删除[b, e)范围内的元素，返回void类型

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set类型

set类型定义于<set>头文件中。set容器支持大部分map容器的操作，如：构造函数；insert操作；count和find操作； erase操作。两个例外情况是：set不支持下标操作符，而且没有定义mapped_type类型。与map一样，set容器存储的键也必须是唯一的，而且不能修改。

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multimap和multiset类型

map和set容器中，一个键只能对应一个实例。而multiset和multimap类型则允许一个键对应多个实例。

multimap和multiset所支持的操作分别与map和set的操作相同，只有一个例外：multimap不支持下标运算。为了顺序一个键可以对应多个值这一特性，map和mulitmap，或set和multiset中相同的操作都以不同的方式做出了一定的修改。

元素的添加和删除

map和set容器中的insert和erase操作同样适用于multimap和multiset容器，实现元素的添加和删除。

由于键不要求是唯一的，因此每次调用insert总会添加一个元素。

而带有一个键参数的erase将删除拥有该键的所有元素，并返回删除元素的个数；而带有一个或一对迭代器参数的erase版本只删除指定的元素，并返回void类型。

查找元素

在map和set容器中，元素是有序存储的（升序），同样multimap和multiset也一样。因此，在multimap和multiset容器中，如果某个键对应多个实例，则这些实例在容器中将相邻存放，即迭代遍历时，可保证依次返回特定键所关联的所有元素。

要查找特定键所有相关联的值，可以有下面三种方法：

1）配合使用find和count来查找：count函数求出某键出现的次数，而find操作返回指向第一个键的实例的迭代器。

2）使用lower_bound和upper_bound函数：这两个函数常用于multimap和multiset，但也可以用于map和set容器。所有这些操作都需要传递一个键，并返回一个迭代器。

m.lower_bound(k)	返回一个迭代器，指向键不小于k的第一个元素
m.upper_bound(k)	返回一个迭代器，指向键大于k的第一个元素
m.equal_range(k)	返回一个迭代器的pair对象；它的first成员等价于 m.lower_bound(k)，而second成员则等价于 m.upper_bound(k)

注意：形成的有效区间是[lower_bound(k), upper_bound(i))，是个半开半闭区间。

lower_bound返回的迭代器不一定指向拥有特定键的元素。如果该键不在容器中，则lower_bound返回在保持容器元素顺序的前提下该键应被插入的第一个位置。

若键不存在，返回的迭代器相同。

3）使用equal_range，其实质跟法2）相同。