浅谈C++|STL之set篇

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作者
猴君
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一.set

1.1set基本概念

特点:

所有元素在插入时,会自动排序,并且不能插入重复元素。

本质:

set/multiset属于关联式容器,底层是红黑树。

set/multiset区别

1.set不允许容器中有重复的元素
2.multiset允许容器中有重复的元素

1.2set构造和赋值

  1. 构造set容器:

    • 默认构造函数:std::set<Type> set_name;
    • 区间构造函数:std::set<Type> set_name(iterator_begin, iterator_end);
    • 拷贝构造函数:std::set<Type> set_name(another_set);
    • 拷贝构造函数(部分元素):std::set<Type> set_name(another_set, iterator_begin, iterator_end);
  2. 赋值操作:

    • 拷贝赋值:set_name = another_set;
    • 移动赋值(自C++11起):set_name = std::move(another_set);
    • 重载 = :std::set<Type> set_name = another_set;

其中,Type是set中存储的元素类型。需要注意的是,set中的元素默认按照升序进行排序,并且所有元素都是唯一的。如果需要自定义排序规则或元素比较函数,可以使用带有自定义比较函数的构造函数和赋值操作符。

以下是一些示例代码:

 // 构造set容器 std::set<int> mySet1;  // 默认构造函数  int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; std::set<int> mySet2(arr, arr + 5);  // 区间构造函数,指针也可  std::set<int> anotherSet = mySet2;  // 拷贝构造函数  // 赋值操作 std::set<int> mySet3; mySet3 = anotherSet;  // 拷贝赋值  std::set<int> mySet4; mySet4 = std::move(anotherSet);  // 移动赋值 
构造函数示例
默认构造函数std::set<Type> set_name;
区间构造函数std::set<Type> set_name(begin, end);
拷贝构造函数std::set<Type> set_name(another_set);
拷贝构造函数(部分元素)std::set<Type> set_name(another_set, iterator_begin, iterator_end);
赋值操作示例
拷贝赋值set_name = another_set;
移动赋值(自C++11起)set_name = std::move(another_set);

1.3set大小和交换

在STL中,set(或者其他关联容器)具有以下两个常用的成员函数来获取容器的大小以及交换容器内容:

  1. 大小操作:

    • size():返回容器中元素的个数。
    • empty():检查容器是否为空,如果为空则返回true,否则返回false。
  2. 交换操作:

    • swap():将当前容器的内容与另一个容器进行交换。

以下是使用示例:

#include <iostream> #include <set>  int main() {   std::set<int> mySet = {1, 2, 3, 4, 5};    // 大小操作   std::cout << "Set的大小为:" << mySet.size() << std::endl;    if (mySet.empty()) {       std::cout << "Set为空" << std::endl;   } else {       std::cout << "Set不为空" << std::endl;   }    // 交换操作   std::set<int> anotherSet = {10, 20, 30};   mySet.swap(anotherSet);    std::cout << "交换后的mySet:" << std::endl;   for (const auto& num : mySet) {       std::cout << num << " ";   }   std::cout << std::endl;    std::cout << "交换后的anotherSet:" << std::endl;   for (const auto& num : anotherSet) {       std::cout << num << " ";   }   std::cout << std::endl;    return 0; } 

输出结果:

Set的大小为:5 Set不为空 交换后的mySet: 10 20 30  交换后的anotherSet: 1 2 3 4 5 

通过调用size()函数可以获取set的大小,使用empty()函数可以判断set是否为空。而使用swap()函数可以交换两个set容器的内容。

大小操作说明
size()返回set容器中元素的个数。
empty()检查set容器是否为空,如果为空则返回true,否则返回false。
交换操作说明
swap(other_set)将当前set容器的内容与另一个set容器other_set进行交换。

1.4set的插入和删除

  1. 插入操作:

    • insert(val):将值为val的元素插入set容器中。
    • insert(start, end):将迭代器范围内的元素插入set容器中。
    • emplace(args):在set容器中构造一个新元素,使用args参数传递构造参数。
  2. 删除操作:

    • erase(val):从set容器中删除值等于val的元素。
    • erase(iterator):删除按照迭代器指定的元素。
    • erase(start, end):删除迭代器范围内的元素。
    • clear():删除set容器中的所有元素。

以下是使用示例:

#include <iostream> #include <set>  int main() {   std::set<int> mySet;    // 插入操作   mySet.insert(1);   mySet.insert(2);   mySet.insert(3);    mySet.emplace(4);    std::set<int> anotherSet = {5, 6, 7};   mySet.insert(anotherSet.begin(), anotherSet.end());    // 删除操作   mySet.erase(3);   mySet.erase(mySet.find(4));   mySet.erase(mySet.begin(), mySet.find(5));   mySet.clear();    return 0; } 

请注意,set是按照元素的自然排序进行存储的,因此在插入操作时会按照排序规则进行插入。在删除操作时,可以指定特定的元素值进行删除,或者使用迭代器进行删除,也可以删除迭代器范围内的一系列元素。使用clear()函数可以删除set容器中的所有元素。

插入操作说明
insert(val)将值为val的元素插入set容器中。
insert(start, end)将迭代器范围内的元素插入set容器中。
emplace(args)在set容器中构造一个新元素,并使用args参数传递构造参数。
删除操作说明
erase(val)从set容器中删除值等于val的元素。
erase(iterator)删除按照迭代器指定的元素。
erase(start, end)删除迭代器范围内的元素。
clear()删除set容器中的所有元素。

1.5set的查找和统计

在STL中,set(或其他关联容器)具有以下常用的成员函数来进行元素的查找和统计:

  1. 查找操作:

    • count(val):返回set容器中值等于val的元素的个数(由于set中元素唯一,所以返回值只能是0或1)。
    • find(val):返回一个迭代器,指向set容器中值等于val的元素,如果未找到则返回指向容器末尾的迭代器 end()
    • lower_bound(val):返回一个迭代器,指向set容器中第一个不小于val的元素。
    • upper_bound(val):返回一个迭代器,指向set容器中第一个大于val的元素。
    • equal_range(val):返回一个pair,包含两个迭代器,分别指向set容器中等于val的元素的起始位置和结束位置。
  2. 统计操作:

    • size():返回set容器中元素的个数。

以下是使用示例:

#include <iostream> #include <set>  int main() {   std::set<int> mySet = {1, 2, 3, 4, 5};    // 查找操作   int count = mySet.count(3);   std::cout << "值为3的元素在set中出现的次数:" << count << std::endl;    auto it = mySet.find(4);   if (it != mySet.end()) {     std::cout << "找到了值为4的元素" << std::endl;   } else {     std::cout << "未找到值为4的元素" << std::endl;   }    auto lower = mySet.lower_bound(3);   auto upper = mySet.upper_bound(3);   std::cout << "大于等于3的第一个元素:" << *lower << std::endl;   std::cout << "大于3的第一个元素:" << *upper << std::endl;    auto range = mySet.equal_range(3);   std::cout << "等于3的元素范围:" << *range.first << " - " << *range.second << std::endl;    // 统计操作   std::cout << "set的大小:" << mySet.size() << std::endl;    return 0; } 

输出结果:

值为3的元素在set中出现的次数:1 找到了值为4的元素 大于等于3的第一个元素:3 大于3的第一个元素:4 等于3的元素范围:3 - 4 set的大小:5 

通过以上示例可以看出,使用count()函数可以统计set容器中值等于给定值的元素个数。使用find()函数可以查找set容器中值等于给定值的元素,并返回其迭代器。lower_bound()函数可以返回第一个不小于给定值的元素的迭代器,而upper_bound()函数则返回第一个大于给定值的元素的迭代器。equal_range()函数返回一个pair,包含了等于给定值的元素的起始位置和结束位置。size()函数用于统计set容器中元素的个数。

查找操作说明
count(val)返回set容器中值等于val的元素的个数(返回值只能是0或1,因为set中元素唯一)。
find(val)返回一个迭代器,指向set容器中值等于val的元素,如果未找到则返回指向容器末尾的迭代器 end()
lower_bound(val)返回一个迭代器,指向set容器中第一个不小于val的元素。
upper_bound(val)返回一个迭代器,指向set容器中第一个大于val的元素。
equal_range(val)返回一个pair,包含两个迭代器,分别指向set容器中等于val的元素的起始位置和结束位置。
统计操作说明
size()返回set容器中元素的个数。

1.6set的insert返回值

使用insert函数在set容器中插入元素时,返回值是一个pair类型的迭代器和布尔值。

  • 如果插入的元素在set容器中不存在(即唯一性),则返回的布尔值为true,且迭代器指向新插入的元素位置。
  • 如果插入的元素在set容器中已经存在(即已有相同的元素),则返回的布尔值为false,且迭代器指向与已存在的元素相等的位置。

以下是使用示例:

#include <iostream> #include <set>  int main() {   std::set<int> mySet = {1, 2, 3};    auto result = mySet.insert(4);   if (result.second) {     std::cout << "插入成功,新元素的值为:" << *result.first << std::endl;   } else {     std::cout << "插入失败,重复的元素的值为:" << *result.first << std::endl;   }    result = mySet.insert(2);   if (result.second) {     std::cout << "插入成功,新元素的值为:" << *result.first << std::endl;   } else {     std::cout << "插入失败,重复的元素的值为:" << *result.first << std::endl;   }    return 0; } 

输出结果:

插入成功,新元素的值为:4 插入失败,重复的元素的值为:2 

在上面的示例中,首先使用insert(4)插入一个在set容器中不存在的元素,因此返回的布尔值为true,迭代器指向新插入的元素位置。

接下来使用insert(2)插入一个已经存在的元素,由于set容器的唯一性特性,插入失败,返回的布尔值为false,迭代器指向与已存在的元素相等的位置。

1.7set自定义排序

在C++的STL中,set容器默认按照升序进行排序。在插入元素时,set容器会自动将元素按照特定的比较函数进行排序,以保证容器中的元素始终按照升序排列。

如果需要使用自定义的排序规则,可以在创建set容器时通过传递一个自定义的比较函数对象来指定排序规则。比较函数对象应满足严格弱排序(Strict Weak Ordering)的要求,即有传递性、反对称性和完全性。

例如,假设我们想要按照降序排列set容器中的元素,可以通过自定义比较函数对象来实现:

#include <iostream> #include <set>  // 自定义的比较函数对象,仿函数 class DescendingComparator {   bool operator()(int a, int b) const {     return a > b;  // 降序排序   } };  int main() {   std::set<int, DescendingComparator> mySet = {5, 2, 7, 1, 9};    // 打印排序后的set容器内容   for (const auto& elem : mySet) {     std::cout << elem << " ";   }   std::cout << std::endl;    return 0; } 

输出结果:

9 7 5 2 1  

在上面的示例中,我们通过传递自定义的比较函数对象DescendingComparator来创建set容器mySet,从而实现按照降序排列的功能。

需要注意的是,通过自定义比较函数对象来指定排序规则时,当容器中的元素具有相等的排序键时,set容器仍然能够确保元素的唯一性。

const修饰的成员函数
bool operator()(int a, int b) const {
return a > b; // 降序排序
}

const成员函数具有以下几个特点:

  1. 不修改成员变量:const成员函数承诺不会修改类对象的成员变量的值。在const成员函数中,所有非静态的成员变量都被视为const,无法直接修改它们的值。只能访问成员变量的值或调用其他的const成员函数。

  2. 可以被常量对象调用:const成员函数可以被常量对象调用,而非const成员函数无法被常量对象调用。常量对象是指使用 const 修饰的对象,它们的成员函数只能调用对象的 const 成员函数。

  3. 重载:const成员函数和非const成员函数可以同时存在,并且可以根据是否为常量对象来进行重载。这样可以在不同的情况下调用不同的成员函数版本。

  4. 对象状态不变:const成员函数内部的逻辑不会改变对象的状态,也就是说,它不会修改对象的数据成员。这可以让使用者在调用const成员函数时,放心地假设对象不会被修改。

  5. 可以调用其他const成员函数:在const成员函数内部,可以调用其他的const成员函数。这是因为在const成员函数内部,所有的非静态成员变量都被视为const,因此只能调用const成员函数来保证对象状态的不变性。

总结起来,const成员函数由于其不修改对象状态的特性,能够提供更高的安全性和可靠性。它们可以被常量对象调用,不会修改对象的成员变量,可以重载非const成员函数,以及可以相互调用。

1.8set存储自定义类型

在C++中,可以使用std::set容器来存储自定义类型。

要在std::set中存储自定义类型,需要满足以下两个条件:

  1. 提供比较函数:std::set是一个有序容器,它要求元素能够进行比较来确定它们的顺序。为了实现自定义类型的比较,你可以通过重载小于运算符(<)或为该类型提供一个自定义的比较函数对象。这个比较函数或运算符将被用于确定元素的顺序。

    例如,假设有一个自定义类型 Person,我们可以重载 < 运算符来定义其比较方式,或者提供一个比较函数对象,如下所示:

    struct Person {   std::string name;   int age;    // 通过重载 < 运算符定义比较方式   bool operator<(const Person& other) const {     return age < other.age;   } };  // 或者通过提供自定义的比较函数对象 struct AgeComparator {   bool operator()(const Person& a, const Person& b) const {     return a.age < b.age;   } }; 
  2. 为容器指定比较方式:在创建std::set对象时,需要指定元素的比较方式。你可以通过传递一个比较函数对象作为std::set的第二个模板参数,或者默认使用默认的比较方式(利用元素类型的 < 运算符)。例如:

    std::set<Person> people;  // 使用自定义比较函数对象 std::set<Person, AgeComparator> people;  // 使用自定义比较函数对象 std::set<int> numbers;  // 使用整数类型的默认比较方式 

在存储自定义类型的std::set中,元素将按照它们的比较方式进行排序,保证元素的唯一性。你可以使用insert()函数向std::set中插入元素,使用find()函数在std::set中查找元素。同时,std::set还提供了其他常见的操作,如删除元素、遍历元素等。

1.9set函数接口

类别函数接口
构造函数set()
set(InputIt first, InputIt last)
set(const set& other)
set(set&& other)
赋值运算符operator=
operator=(set&& other)
迭代器begin()
end()
容量empty()
size()
max_size()
修改器insert(const value_type& value)
insert(InputIt first, InputIt last)
erase(const value_type& value)
erase(iterator position)
erase(iterator first, iterator last)
clear()
查找find(const value_type& value)
count(const value_type& value)
lower_bound(const value_type& value)
upper_bound(const value_type& value)
equal_range(const value_type& value)
比较operator==
operator!=
operator<
operator>
operator<=
operator>=

例子

operator<=std::set 容器的比较运算符之一,用于比较两个 std::set 是否满足部分顺序关系。下面是使用 operator<= 进行比较的方法:

首先,假设有两个 std::set 对象,例如 set1set2

std::set<T> set1; std::set<T> set2; 

要使用 operator<= 进行比较,只需要将这两个集合放在一个条件语句中,并使用 operator<= 进行比较。例如:

if (set1 <= set2) {   // set1 是 set2 的子集或等于 set2 } else {   // set1 不是 set2 的子集 } 

当条件为真时,表示 set1set2 的子集,或者两个集合完全相等。否则,当条件为假时,表示 set1 不是 set2 的子集。

请注意,这里的子集关系取决于 std::set 中元素的部分顺序关系,即集合中的元素按升序排列。

operator<=比较的是两个集合的关系,而不是集合中元素的值之间的关系。如果你想比较集合中的元素的值,请使用迭代器或其他比较方法进行元素比较。

二.multiset

std::setstd::multiset是C++标准库中的两种关联容器,它们的函数接口在大部分功能上是相同的,但在某些特定操作上有一些区别。

以下是std::setstd::multiset之间函数接口的主要区别:

  1. 插入操作:对于std::setinsert()函数返回一个std::pair对象,用于指示插入是否成功,并且如果插入的元素已经存在,则不会插入重复元素。而对于std::multisetinsert()函数直接插入元素,允许存储重复元素。

  2. 删除操作:erase()函数在std::setstd::multiset中的行为略有不同。在std::set中,erase()函数将删除与给定值相等的元素,并返回删除的元素数量(0或1)。在std::multiset中,erase()函数将删除所有与给定值相等的元素,并返回删除的元素数量。

  3. 元素计数:count()函数在std::setstd::multiset中的行为也略有不同。在std::set中,count()函数返回一个整数,表示与给定值相等的元素的数量(0或1)。而在std::multiset中,count()函数返回一个整数,表示与给定值相等的元素的数量。

  4. 查找操作:find()函数在std::setstd::multiset中的行为相同,都是用于在容器中查找与给定值相等的元素,并返回指向该元素的迭代器。如果找不到匹配的元素,则返回容器的end()迭代器。

除了上述区别外,std::setstd::multiset其他常见的函数接口,如迭代器操作、大小和容量查询等,基本上是相同的。

,这只是std::setstd::multiset之间在函数接口上的一些区别,它们共享相似的函数接口,因为它们都是基于相同的关联容器概念,并遵循C++标准库的通用规范。
下面是std::setstd::multiset之间函数接口的主要区别的整理表格:

函数接口std::setstd::multiset
插入操作insert()函数返回std::pair对象,不插入重复元素直接插入元素,允许存储重复元素
删除操作erase()函数删除等于给定值的元素,返回删除数量erase()函数删除等于给定值的所有元素,返回删除数量
元素计数count()函数返回0或1count()函数返回与给定值相等的元素数量
查找操作find()函数返回指向匹配元素的迭代器find()函数返回指向匹配元素的迭代器
其他常见操作迭代器操作、大小和容量查询等迭代器操作、大小和容量查询等

三.unordered_set

无序set

函数接口std::setstd::unordered_set
排序顺序元素按升序排列不对元素进行排序
插入操作insert()函数返回一个std::pair对象,不插入重复元素插入元素,不插入重复元素
查找操作find()函数返回指向匹配元素的迭代器find()函数返回指向匹配元素的迭代器
删除操作erase()函数删除等于给定值的元素并返回删除的数量erase()函数删除等于给定值的元素并返回删除的数量
元素计数count()函数返回值只能是0或1,因为集合中元素唯一count()函数返回与给定值相等的元素数量
迭代器范围遍历可以使用迭代器范围进行区间遍历可以使用迭代器范围进行区间遍历
内部实现基于红黑树实现,保持元素有序基于哈希表实现,元素无序
性能特点插入和删除操作相对较慢,查找操作较快插入和删除操作相对较快,查找操作速度由哈希函数质量决定
内存占用需要额外的存储空间来维护红黑树结构需要额外的存储空间来维护哈希表结构
迭代顺序根据元素值进行排序根据哈希函数和桶排序顺序,元素顺序不固定

unordered_set是基于哈希表实现的,因此在插入和查找操作时具有较快的平均时间复杂度。而set是基于红黑树实现的,保证了元素的有序性,但插入和删除操作相对较慢。在选择使用哪个容器时,可以根据实际需求和性能要求进行评估。

四.unordered_multiset

std::unordered_multiset是C++标准库中的一种关联容器,它实现了一个无序的、允许重复元素的集合(Multiset)。与std::unordered_set不同,std::unordered_multiset允许存储多个相同的元素,而不是将重复元素视为错误。

以下是std::unordered_multiset相较于std::unordered_set的一些主要特点和区别:

  1. 元素存储:std::unordered_multiset以无序的方式存储元素,并允许多个相同的元素存在。
  2. 插入重复元素:insert()函数可以插入重复的元素。
  3. 删除元素:erase()函数可以删除与给定值相等的所有元素。
  4. 元素计数:count()函数返回某个给定值在容器中的数量,可以用于统计重复元素的个数。
  5. 迭代器范围遍历:可以使用迭代器范围进行区间遍历,包括重复元素。

std::unordered_multiset使用哈希表(hash table)来实现存储和快速查找元素,而不会按照元素的顺序进行排序。如果你需要保持元素的有序性,请考虑使用std::multiset,它是一个有序的、允许重复元素的集合容器。

函数接口std::unordered_multisetstd::unordered_set
元素存储无序存储、允许重复元素无序存储、不允许重复元素
插入操作insert()函数可以插入重复元素insert()函数不插入重复元素
删除操作erase()函数删除与给定值相等的所有元素,并返回删除的数量erase()函数删除等于给定值的元素,并返回删除的数量
元素计数count()函数返回与给定值相等的元素数量count()函数返回0或1,因为集合中不存储重复项
迭代器范围遍历可以使用迭代器范围进行区间遍历,包括重复的元素可以使用迭代器范围进行区间遍历,不包括重复的元素
内部实现基于哈希表实现,元素无序基于哈希表实现,元素无序
性能特点插入和删除操作性能较快,查找操作速度取决于哈希函数和负载因子的质量插入和删除操作性能较快,查找操作速度取决于哈希函数和负载因子的质量
内存占用需要额外的存储空间来维护哈希表结构需要额外的存储空间来维护哈希表结构
迭代顺序元素的顺序是无序的元素的顺序是无序的

五.四种set总结

在C++中,有四种不同的集合容器:std::setstd::multisetstd::unordered_setstd::unordered_multiset

  1. std::set

    • 基于红黑树实现的有序集合容器。
    • 每个元素在容器中都是唯一的,不允许重复元素。
    • 元素按照升序存储,并且支持高效的查找、插入和删除操作。
    • 没有哈希函数的开销,也没有哈希冲突的问题。
  2. std::multiset

    • 基于红黑树实现的有序多重集合容器。
    • 允许存储重复的元素,即可以有多个相等的元素。
    • 元素按照升序存储,并且支持高效的查找、插入和删除操作。
  3. std::unordered_set

    • 基于哈希表实现的无序集合容器。
    • 每个元素在容器中都是唯一的,不允许重复元素。
    • 元素存储顺序是无序的,但在平均情况下,插入、查找和删除操作都具有较快的时间复杂度。
    • 元素类型需要提供哈希函数和相等比较函数。
  4. std::unordered_multiset

    • 基于哈希表实现的无序多重集合容器。
    • 允许存储重复的元素,即可以有多个相等的元素。
    • 元素存储顺序是无序的,但在平均情况下,插入、查找和删除操作都具有较快的时间复杂度。
    • 元素类型需要提供哈希函数和相等比较函数。

总结来说,std::setstd::unordered_set是无序容器,而std::multisetstd::unordered_multiset是允许存储重复元素的无序容器。其中,std::setstd::multiset中的元素是有序存储的,而std::unordered_setstd::unordered_multiset中的元素是无序存储的,但具有更快的插入、查找和删除操作。选择使用哪种容器取决于你的需求,包括是否需要有序存储元素以及对性能的要求。

头文件:

  • std::set#include <set>
  • std::multiset#include <set>
  • std::unordered_set#include <unordered_set>
  • std::unordered_multiset#include <unordered_set>

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