ContextQMD
Back to Oi Wiki

Associative Container

docs/lang/csl/associative-container.md

latest8.9 KB
Original Source

set

set 是关联容器，含有键值类型对象的已排序集，搜索、移除和插入拥有对数复杂度．set 内部通常采用 红黑树 实现．平衡二叉树 的特性使得 set 非常适合处理需要同时兼顾查找、插入与删除的情况．

和数学中的集合相似，set 中不会出现值相同的元素．如果需要有相同元素的集合，需要使用 multiset．multiset 的使用方法与 set 的使用方法基本相同．

插入与删除操作

  • insert(x) 当容器中没有等价元素的时候，将元素 x 插入到 set 中．
  • erase(x) 删除值为 x 的 所有 元素，返回删除元素的个数．
  • erase(pos) 删除迭代器为 pos 的元素，要求迭代器必须合法．
  • erase(first,last) 删除迭代器在 $[first,last)$ 范围内的所有元素．
  • clear() 清空 set．

???+ note "insert 函数的返回值" insert 函数的返回值类型为 pair<iterator, bool>，其中 iterator 是一个指向所插入元素（或者是指向等于所插入值的原本就在容器中的元素）的迭代器，而 bool 则代表元素是否插入成功，由于 set 中的元素具有唯一性质，所以如果在 set 中已有等值元素，则插入会失败，返回 false，否则插入成功，返回 true；map 中的 insert 也是如此．

迭代器

set 提供了以下几种迭代器：

  1. begin()/cbegin()
    返回指向首元素的迭代器，其中 *begin = front．
  2. end()/cend()
    返回指向数组尾端占位符的迭代器，注意是没有元素的．
  3. rbegin()/crbegin()
    返回指向逆向数组的首元素的逆向迭代器，可以理解为正向容器的末元素．
  4. rend()/crend()
    返回指向逆向数组末元素后一位置的迭代器，对应容器首的前一个位置，没有元素．

以上列出的迭代器中，含有字符 c 的为只读迭代器，你不能通过只读迭代器去修改 set 中的元素的值．如果一个 set 本身就是只读的，那么它的一般迭代器和只读迭代器完全等价．只读迭代器自 C++11 开始支持．

查找操作

  • count(x) 返回 set 内键为 x 的元素数量．
  • find(x) 在 set 内存在键为 x 的元素时会返回该元素的迭代器，否则返回 end()．
  • lower_bound(x) 返回指向首个不小于给定键的元素的迭代器．如果不存在这样的元素，返回 end()．
  • upper_bound(x) 返回指向首个大于给定键的元素的迭代器．如果不存在这样的元素，返回 end()．
  • empty() 返回容器是否为空．
  • size() 返回容器内元素个数．

???+ warning "lower_bound 和 upper_bound 的时间复杂度" set 自带的 lower_bound 和 upper_bound 的时间复杂度为 $O(\log n)$．

但使用 `algorithm` 库中的 `lower_bound` 和 `upper_bound` 函数对 `set` 中的元素进行查询，时间复杂度为 $O(n)$．

???+ warning "nth_element 的时间复杂度" set 没有提供自带的 nth_element．使用 algorithm 库中的 nth_element 查找第 $k$ 大的元素时间复杂度为 $O(n)$．

如果需要实现平衡二叉树所具备的 $O(\log n)$ 查找第 $k$ 大元素的功能，需要自己手写平衡二叉树或权值线段树，或者选择使用 pb\_ds 库中的平衡二叉树．

使用样例

set 在贪心中的使用

在贪心算法中经常会需要出现类似 找出并删除最小的大于等于某个值的元素．这种操作能轻松地通过 set 来完成．

cpp
// 现存可用的元素
set<int> available;
// 需要大于等于的值
int x;

// 查找最小的大于等于x的元素
set<int>::iterator it = available.lower_bound(x);
if (it == available.end()) {
  // 不存在这样的元素，则进行相应操作……
} else {
  // 找到了这样的元素，将其从现存可用元素中移除
  available.erase(it);
  // 进行相应操作……
}

map

map 是有序键值对容器，它的元素的键是唯一的．搜索、移除和插入操作拥有对数复杂度．map 通常实现为 红黑树．

设想如下场景：现在需要存储一些键值对，例如存储学生姓名对应的分数：Tom 0，Bob 100，Alan 100．但是由于数组下标只能为非负整数，所以无法用姓名作为下标来存储，这个时候最简单的办法就是使用 STL 中的 map．

map 重载了 operator[]，可以用任意定义了 operator < 的类型作为下标（在 map 中叫做 key，也就是索引）：

cpp
map<Key, T> yourMap;

其中，Key 是键的类型，T 是值的类型，下面是使用 map 的实例：

cpp
map<string, int> mp;

map 中不会存在键相同的元素，multimap 中允许多个元素拥有同一键．multimap 的使用方法与 map 的使用方法基本相同．

??? warning "Warning" 正是因为 multimap 允许多个元素拥有同一键的特点，multimap 并没有提供给出键访问其对应值的方法．

插入与删除操作

  • 可以直接通过下标访问来进行查询或插入操作．例如 mp["Alan"]=100．
  • 通过向 map 中插入一个类型为 pair<Key, T> 的值可以达到插入元素的目的，例如 mp.insert(pair<string,int>("Alan",100));；
  • erase(key) 函数会删除键为 key 的 所有 元素．返回值为删除元素的数量．
  • erase(pos): 删除迭代器为 pos 的元素，要求迭代器必须合法．
  • erase(first,last): 删除迭代器在 $[first,last)$ 范围内的所有元素．
  • clear() 函数会清空整个容器．

???+ note "下标访问中的注意事项" 在利用下标访问 map 中的某个元素时，如果 map 中不存在相应键的元素，会自动在 map 中插入一个新元素，并将其值设置为默认值（对于整数，值为零；对于有默认构造函数的类型，会调用默认构造函数进行初始化）．

当下标访问操作过于频繁时，容器中会出现大量无意义元素，影响 `map` 的效率．因此一般情况下推荐使用 `find()` 函数来寻找特定键的元素．

查询操作

  • count(x): 返回容器内键为 x 的元素数量．复杂度为 $O(\log(size)+ans)$（关于容器大小对数复杂度，加上匹配个数）．
  • find(x): 若容器内存在键为 x 的元素，会返回该元素的迭代器；否则返回 end()．
  • lower_bound(x): 返回指向首个不小于给定键的元素的迭代器．
  • upper_bound(x): 返回指向首个大于给定键的元素的迭代器．若容器内所有元素均小于或等于给定键，返回 end()．
  • empty(): 返回容器是否为空．
  • size(): 返回容器内元素个数．

使用样例

map 用于存储复杂状态

在搜索中，我们有时需要存储一些较为复杂的状态（如坐标，无法离散化的数值，字符串等）以及与之有关的答案（如到达此状态的最小步数）．map 可以用来实现此功能．其中的键是状态，而值是与之相关的答案．下面的示例展示了如何使用 map 存储以 string 表示的状态．

cpp
// 存储状态与对应的答案
map<string, int> record;

// 新搜索到的状态与对应答案
string status;
int ans;
// 查找对应的状态是否出现过
map<string, int>::iterator it = record.find(status);
if (it == record.end()) {
  // 尚未搜索过该状态，将其加入状态记录中
  record[status] = ans;
  // 进行相应操作……
} else {
  // 已经搜索过该状态，进行相应操作……
}

遍历容器

可以利用迭代器来遍历关联式容器的所有元素．

cpp
set<int> s;
using si = set<int>::iterator;
for (si it = s.begin(); it != s.end(); it++) cout << *it << endl;

需要注意的是，对 map 的迭代器解引用后，得到的是类型为 pair<Key, T> 的键值对．

在 C++11 中，使用范围 for 循环会让代码简洁很多：

cpp
set<int> s;
for (auto x : s) cout << x << endl;

对于任意关联式容器，使用迭代器遍历容器的时间复杂度均为 $O(n)$．

自定义比较方式

set 在默认情况下的比较函数为 <（如果是非内置类型需要 重载 < 运算符）．然而在某些特殊情况下，我们希望能自定义 set 内部的比较方式．

这时候可以通过传入自定义比较器来解决问题．

具体来说，我们需要定义一个类，并在这个类中 重载 () 运算符．

例如，我们想要维护一个存储整数，且较大值靠前的 set，可以这样实现：

cpp
struct cmp {
  bool operator()(int a, int b) const { return a > b; }
};

set<int, cmp> s;

对于其他关联式容器，可以用类似的方式实现自定义比较，这里不再赘述．