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C++STL详解之set与multiset的使用、区间查询和算法应用小结

一、序列式容器和关联式容器 1.1 序列式容器按位置组织元素 序列式容器里,常见的有这么几个: std::vector std::list std::deque std::array std::forward_list 数据是按照它们在容器中的位置来组织的。 举个例子: std::vector va

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    一、序列式容器和关联式容器

    1.1 序列式容器按位置组织元素

    序列式容器里,常见的有这么几个:

    std::vector
    std::list
    std::deque
    std::array
    std::forward_list

    数据是按照它们在容器中的位置来组织的。

    举个例子:

    std::vector values{10, 20, 30};
    

    关注的是:

    values[0] 是 10
    values[1] 是 20
    values[2] 是 30
    

    交换两个元素后,容器本身依然是合法的:

    std::swap(values[0], values[2]);
    

    结果只是顺序变了:

    30 20 10
    

    1.2 关联式容器按关键字组织元素

    有序关联式容器里,常见的有这些:

    std::set
    std::multiset
    std::map
    std::multimap
    

    数据是根据关键字和比较规则来组织的。

    拿 set 来说:

    std::set values{8, 3, 10, 1, 6};
    

    内部需要维持类似二叉搜索树的有序关系:

    左边关键字更小
    右边关键字更大
    

    不能随意把两个结点中的关键字交换,否则会破坏搜索结构。

    1.3 set 和 map 的定位

    一句话区分就是:

    set:只保存 key
    map:保存 key 和 value
    

    举几个例子:

    set:
    车牌号是否存在
    账号是否在黑名单中
    一个数字是否出现过
    map:
    英文单词 -> 中文解释
    学生学号 -> 学生成绩
    商品编号 -> 库存数量

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    二、set 是什么?

    2.1 set 的基本声明

    要使用 set,先得包含头文件:

    #include 
    

    最常见的定义方式:

    std::set numbers;
    

    它的简化模板形式可以理解为:

    template<
        class Key,
        class Compare = std::less,
        class Allocator = std::allocator
    >
    class set;
    

    三个模板参数分别表示:

    Key       :关键字类型
    Compare   :关键字比较规则
    Allocator :内存分配器
    

    一般只需要提供第一个参数:

    std::set numbers;
    std::set words;
    

    2.2 set 的核心特点

    set 有下面几个重要特点:

    1. 每个关键字最多保存一份
    2. 元素按照比较器规定的顺序排列
    3. 不支持下标访问
    4. 不能通过迭代器修改关键字
    5. 查找、插入和删除通常为 O(log N)
    6. 支持按照关键字进行范围查询

    2.3 set 不一定是“从小到大”

    默认比较器是:

    std::less
    

    所以通常表现为升序。

    但如果使用:

    std::greater
    

    就会变为降序:

    std::set> numbers;
    

    更准确的说法是:

    set 会按照比较器定义的顺序保存和遍历元素。

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    三、set 的构造方式

    3.1 默认构造

    std::set numbers;
    

    此时得到一个空集合。

    3.2 初始化列表构造

    std::set numbers{5, 2, 8, 2, 7, 5};
    

    集合中的内容为:

    2 5 7 8
    

    重复元素不会重复保存。

    3.3 迭代器区间构造

    #include 
    #include 
    std::vector values{5, 2, 8, 2, 7};
    std::set numbers(values.begin(), values.end());

    这种写法可以同时完成:

    复制数据
    去除重复元素
    按照比较规则排序

    3.4 拷贝构造

    std::set first{1, 3, 5};
    std::set second(first);
    

    也可以写成:

    std::set second = first;
    

    四、set 的遍历方式

    4.1 正向迭代器遍历

    #include 
    #include 
    int main()
    {
        std::set numbers{5, 2, 8, 1, 5};
        for (auto it = numbers.begin();
             it != numbers.end();
             ++it)
        {
            std::cout << *it << ' ';
        }
        return 0;
    }

    输出:

    1 2 5 8
    

    set 的迭代器属于双向迭代器,支持:

    ++it;
    --it;
    

    但不支持:

    it + 3;
    it - 2;
    

    4.2 范围 for 遍历

    for (int value : numbers)
    {
        std::cout << value << ' ';
    }
    

    范围 for 是日常使用中最简单的遍历方式。

    4.3 反向遍历

    for (auto it = numbers.rbegin();
         it != numbers.rend();
         ++it)
    {
        std::cout << *it << ' ';
    }
    

    如果默认使用升序 set,反向遍历会得到降序结果:

    8 5 2 1
    

    4.4 为什么不能修改 set 中的元素?

    下面的代码无法通过编译:

    auto it = numbers.begin();
    *it = 100;
    

    因为元素本身就是关键字。

    假设原来的结构中:

    3 位于 5 的左边
    

    如果直接把 3 修改成 10:

    10 仍然位于 5 的左边
    

    搜索树中的大小关系就被破坏了。

    因此,set 不允许通过迭代器修改元素。

    需要修改关键字时,应当:

    先删除旧值
    再插入新值
    

    例如:

    auto it = numbers.find(3);
    if (it != numbers.end())
    {
        numbers.erase(it);
        numbers.insert(10);
    }

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    五、insert:向 set 中插入元素

    5.1 插入单个元素

    std::set numbers;
    numbers.insert(5);
    numbers.insert(2);
    numbers.insert(8);

    结果:

    2 5 8
    

    5.2 重复插入会怎样?

    numbers.insert(5);
    numbers.insert(5);
    

    set 中仍然只保存一个 5。

    因为 set 要求关键字唯一。

    5.3 insert 的返回值

    插入单个元素时,返回类型是:

    std::pair
    

    示例:

    auto result = numbers.insert(5);
    

    其中:

    result.first  :指向关键字 5 的迭代器
    result.second :是否真正插入成功
    

    完整示例:

    #include 
    #include 
    int main()
    {
        std::set numbers;
        auto result1 = numbers.insert(5);
        auto result2 = numbers.insert(5);
        std::cout << std::boolalpha;
        std::cout << "第一次插入:"
                  << result1.second << 'n';
        std::cout << "第二次插入:"
                  << result2.second << 'n';
        std::cout << "关键字:"
                  << *result2.first << 'n';
        return 0;
    }

    输出:

    第一次插入:true
    第二次插入:false
    关键字:5
    

    即使插入失败:

    result2.first
    

    仍然指向集合中已经存在的 5。

    5.4 使用结构化绑定接收返回值

    C++17 可以写成:

    auto [it, inserted] = numbers.insert(5);
    if (inserted)
    {
        std::cout << "插入成功n";
    }
    else
    {
        std::cout << "元素已经存在n";
    }

    5.5 插入一组数据

    numbers.insert({3, 6, 8, 3});
    

    已经存在的关键字会被忽略。

    也可以插入一段迭代器区间:

    std::vector values{10, 20, 10, 30};
    numbers.insert(values.begin(), values.end());

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    六、find、count 和 contains

    6.1 find 查找关键字

    auto it = numbers.find(5);
    

    找到时,返回指向元素的迭代器。

    没有找到时,返回:

    numbers.end()
    

    标准写法:

    auto it = numbers.find(5);
    if (it != numbers.end())
    {
        std::cout << "找到了:" << *it << 'n';
    }
    else
    {
        std::cout << "没有找到n";
    }

    6.2 不要优先使用通用 find

    算法库也提供了:

    std::find(numbers.begin(), numbers.end(), 5);
    

    但通用算法不知道 set 内部的有序结构,只能从头逐个比较,复杂度为:

    O(N)
    

    而成员函数:

    numbers.find(5);
    

    可以利用关联式容器的搜索结构,复杂度通常为:

    O(log N)
    

    因此,在 set 中查找关键字时,应优先使用成员函数 find()。

    6.3 count 判断元素是否存在

    对于 set:

    numbers.count(5);
    

    返回值只有两种:

    0:不存在
    1:存在
    

    因此可以写成:

    if (numbers.count(5) != 0)
    {
        std::cout << "5 存在n";
    }
    

    6.4 contains

    C++20 增加了:

    numbers.contains(5);
    

    它直接返回布尔值:

    if (numbers.contains(5))
    {
        std::cout << "5 存在n";
    }
    

    Linux 下使用 C++20 编译:

    g++ -std=c++20 main.cpp -o main
    ./main
    

    6.5 find、count 和 contains 如何选择?

    只想判断是否存在:

    numbers.contains(key); // C++20
    numbers.count(key);    // C++11 也可用
    

    还需要拿到对应迭代器:

    auto it = numbers.find(key);
    

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    七、erase:删除 set 中的元素

    7.1 根据关键字删除

    std::size_t count = numbers.erase(5);
    

    对于 set:

    返回 1:成功删除
    返回 0:关键字不存在
    

    示例:

    if (numbers.erase(5) == 0)
    {
        std::cout << "5 不存在n";
    }
    

    7.2 根据迭代器删除

    auto it = numbers.find(5);
    if (it != numbers.end())
    {
        numbers.erase(it);
    }

    7.3 删除最小值

    默认升序 set 中:

    numbers.begin()
    

    指向最小值。

    所以:

    if (!numbers.empty())
    {
        numbers.erase(numbers.begin());
    }
    

    可以删除最小元素。

    最大值可以通过:

    std::prev(numbers.end())
    

    找到:

    if (!numbers.empty())
    {
        numbers.erase(std::prev(numbers.end()));
    }
    

    7.4 遍历过程中删除

    假设要删除所有偶数:

    auto it = numbers.begin();
    while (it != numbers.end())
    {
        if (*it % 2 == 0)
        {
            it = numbers.erase(it);
        }
        else
        {
            ++it;
        }
    }

    erase(it) 会返回被删除元素的下一个迭代器。

    不要写成:

    numbers.erase(it);
    ++it;
    

    因为删除后,原来的 it 已经失效。

    7.5 迭代器失效规则

    对于 set 这类结点式关联容器:

    插入元素通常不会让已有迭代器失效
    删除元素只会让指向被删除元素的迭代器失效
    其他元素的迭代器通常仍然有效

    这和可能整体扩容的 vector 不同。

    八、lower_bound、upper_bound 和 equal_range

    8.1 lower_bound

    默认升序情况下:

    numbers.lower_bound(value);
    

    返回第一个:

    大于等于 value
    

    的元素。

    例如:

    std::set numbers{10, 20, 30, 40, 50};
    auto it = numbers.lower_bound(25);

    it 指向:

    30
    

    8.2 upper_bound

    numbers.upper_bound(value);
    

    返回第一个:

    严格大于 value
    

    的元素。

    例如:

    auto it = numbers.upper_bound(30);
    

    it 指向:

    40
    

    8.3 删除闭区间 [30, 60]

    std::set numbers{
        10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80
    };
    auto first = numbers.lower_bound(30);
    auto last = numbers.upper_bound(60);
    numbers.erase(first, last);

    因为迭代器区间采用左闭右开:

    [first, last)
    

    所以删除的是:

    30 40 50 60
    

    8.4 equal_range

    auto range = numbers.equal_range(30);
    

    相当于同时获得:

    range.first  == numbers.lower_bound(30);
    range.second == numbers.upper_bound(30);
    

    C++17 可以写成:

    auto [first, last] = numbers.equal_range(30);
    

    8.5 不要把“大小”理解死

    lower_bound 和 upper_bound 实际上依据的是比较器,而不一定是数学意义上的小于和大于。

    默认 std::less 下,可以理解为:

    lower_bound:第一个 >= key
    upper_bound:第一个 > key
    

    如果使用自定义比较器,就应按照该比较器定义的顺序理解。

    九、自定义排序规则

    9.1 降序 set

    #include 
    #include 
    std::set> numbers{
        3, 1, 5, 2
    };

    遍历结果:

    5 3 2 1
    

    9.2 自定义类型作为 key

    假设需要按照学生学号排序:

    #include 
    #include 
    #include 
    struct Student
    {
        int id;
        std::string name;
    };
    struct StudentCompare
    {
        bool operator()(const Student& left,
                        const Student& right) const
        {
            return left.id < right.id;
        }
    };
    int main()
    {
        std::set students;
        students.insert({1003, "张三"});
        students.insert({1001, "李四"});
        students.insert({1002, "王五"});
        for (const auto& student : students)
        {
            std::cout << student.id << ' '
                      << student.name << 'n';
        }
        return 0;
    }

    9.3 相同学号能否插入?

    比较器只比较:

    left.id < right.id
    

    因此,如果两个学生学号相同,即使姓名不同,set 仍会把它们视为等价关键字。

    例如:

    students.insert({1001, "李四"});
    students.insert({1001, "赵六"});
    

    第二次插入会失败。

    9.4 比较器必须满足严格弱序

    比较器通常应该表达“严格排在前面”,例如:

    return left.id < right.id;
    

    不要写成:

    return left.id <= right.id;
    

    比较器至少应保证:

    compare(x, x) 必须为 false
    

    否则容器的排序关系会失去一致性,程序行为可能不符合预期。

    十、set 和 multiset 的区别

    10.1 multiset 允许重复元素

    std::multiset numbers{
        4, 2, 7, 2, 4, 8, 4
    };
    

    遍历结果:

    2 2 4 4 4 7 8
    

    multiset 保持有序,但不会去重。

    10.2 insert 返回值不同

    set::insert:

    std::pair
    

    因为要告诉调用者是否插入成功。

    multiset::insert:

    iterator
    

    因为重复关键字也能正常插入,不需要返回“是否成功”。

    10.3 count 返回实际数量

    std::cout << numbers.count(4);
    

    对于上面的 multiset,结果是:

    3
    

    而 set::count() 只能返回 0 或 1。

    10.4 erase(key) 会删除所有等价元素

    numbers.erase(4);
    

    会删除所有的 4。

    如果只想删除一个 4:

    auto it = numbers.find(4);
    if (it != numbers.end())
    {
        numbers.erase(it);
    }

    10.5 获取所有相同关键字

    推荐使用:

    auto [first, last] = numbers.equal_range(4);
    for (auto it = first; it != last; ++it)
    {
        std::cout << *it << ' ';
    }

    10.6 set 和 multiset 对比

    对比项setmultiset
    是否允许重复不允许允许
    是否有序是是
    count只能是 0 或 1返回实际数量
    erase(key)最多删除一个删除所有等价元素
    单元素 insert 返回值pairiterator

    十一、应用一:去重并排序

    11.1 基本实现

    #include 
    #include 
    #include 
    int main()
    {
        std::vector values{
            5, 2, 8, 5, 3, 2, 7
        };
        std::set uniqueValues(
            values.begin(),
            values.end()
        );
        for (int value : uniqueValues)
        {
            std::cout << value << ' ';
        }
        return 0;
    }

    输出:

    2 3 5 7 8
    

    11.2 这种方法适合什么情况?

    适合:

    希望同时得到有序结果
    数据规模不算特别大
    后续还要进行有序查询

    如果只需要快速判重而不关心顺序,unordered_set 通常更合适。

    十二、应用二:两个数组的交集

    给定:

    nums1 = [1, 2, 2, 3, 5]
    nums2 = [2, 2, 4, 5]
    

    要求返回不重复的交集:

    [2, 5]
    

    12.1 利用 set 去重

    #include 
    #include 
    std::vector intersection(
        const std::vector& nums1,
        const std::vector& nums2)
    {
        std::set first(nums1.begin(), nums1.end());
        std::set second(nums2.begin(), nums2.end());
        std::vector result;
        auto it1 = first.begin();
        auto it2 = second.begin();
        while (it1 != first.end() &&
               it2 != second.end())
        {
            if (*it1 < *it2)
            {
                ++it1;
            }
            else if (*it2 < *it1)
            {
                ++it2;
            }
            else
            {
                result.push_back(*it1);
                ++it1;
                ++it2;
            }
        }
        return result;
    }

    因为两个 set 都是有序的,所以可以使用双指针思想:

    较小的一方前进
    相等时加入答案

    12.2 也可以使用标准算法

    #include 
    #include 
    std::set_intersection(
        first.begin(),
        first.end(),
        second.begin(),
        second.end(),
        std::back_inserter(result)
    );

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    十三、应用三:检测链表是否访问过某个结点

    判断链表是否存在环,可以把访问过的结点地址放入 set:

    struct ListNode
    {
        int val;
        ListNode* next;
    };
    ListNode* detectCycle(ListNode* head)
    {
        std::set visited;
        ListNode* current = head;
        while (current != nullptr)
        {
            auto [it, inserted] = visited.insert(current);
            if (!inserted)
            {
                return current;
            }
            current = current->next;
        }
        return nullptr;
    }

    当一个结点地址第二次插入失败时,说明程序再次访问到了同一个结点。

    不过该方法需要额外空间:

    O(N)
    

    如果题目要求常数额外空间,应使用快慢指针。

    十四、set 与 unordered_set 怎么选?

    14.1 set

    主要特点:

    元素有序
    支持 lower_bound 和 upper_bound
    单次查找、插入和删除通常为 O(log N)
    性能比较稳定
    

    适合:

    需要有序遍历
    需要查找某个范围
    需要找大于等于某值的第一个元素

    14.2 unordered_set

    主要特点:

    元素无序
    基于哈希规则查找
    平均查找、插入和删除接近 O(1)
    最坏情况可能退化
    不支持 lower_bound 和 upper_bound
    

    适合:

    只关心是否存在
    不需要有序结果
    希望获得平均意义上的快速查找

    14.3 简单选择原则

    需要顺序或范围查询:set
    只需要快速判重:unordered_set
    允许重复且需要有序:multiset
    允许重复但不要求有序:unordered_multiset

    C++STL详解之set与multiset的使用、区间查询和算法应用小结

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