自学内容网 自学内容网

C++ set

1. 背景

关联式容器

STL 中的部分容器,比如: vector list deque 、forward_list(C++11)等,这些容器统称为序列式容器,因为其底层为线性序列的数据结构,里面存储的是元素本身。那什么是关联式容器?它与序列式容器有什么区别? 关联式容器 也是用来存储数据的,与序列式容器不同的是,其 里面存储的是 <key, value> 结构的 键值对,在数据检索时比序列式容器效率更高

键值对

用来表示具有一一对应关系的一种结构,该结构中一般只包含两个成员变量 key value key
表键值, value 表示与 key 对应的信息 。比如:现在要建立一个英汉互译的字典,那该字典中必然
有英文单词与其对应的中文含义,而且,英文单词与其中文含义是一一对应的关系,即通过该应
该单词,在词典中就可以找到与其对应的中文含义。

树形结构的关联式容器

根据应用场景的不同, STL 总共实现了两种不同结构的管理式容器:树型结构与哈希结构。 树型结 构的关联式容器主要有四种:map set multimap multiset 。这四种容器的共同点是:使用平衡搜索树( 即红黑树)作为其底层结果,容器中的元素是一个有序的序列。

2.set的介绍

1. set 是按照一定次序存储元素的容器
2. set 中,元素的 value 也标识它 (value 就是 key ,类型为 T) ,并且每个 value 必须是唯一的。set中的元素不能在容器中修改 ( 元素总是 const) ,但是可以从容器中插入或删除它们。
3. 在内部, set 中的元素总是按照其内部比较对象 ( 类型比较 ) 所指示的特定严格弱排序准则进行排序。
4. set 容器通过 key 访问单个元素的速度通常比 unordered_set 容器慢,但它们允许根据顺序对子集进行直接迭代。
5. set 在底层是用二叉搜索树 ( 红黑树 ) 实现的。
注意:
1. map/multimap 不同, map/multimap 中存储的是真正的键值对 <key, value> set 中只放value,但在底层实际存放的是由 <value, value> 构成的键值对。
2. set 中的元素不可以重复 ( 因此可以使用 set 进行去重 )
3. 使用 set 的迭代器遍历 set中的元素,可以得到有序序列,set 中的元素默认按照小于来比较

3. set的使用

1. set的模板参数列表

T: set 中存放元素的类型,实际在底层存储 <value, value> 的键值对。
Compare set 中元素默认按照小于来比较
Alloc set 中元素空间的管理方式,使用 STL 提供的空间配置器管理

2. set的构造

函数声明功能介绍
set (const Compare& comp = Compare(), const Allocator&
= Allocator() );
构造空的set
set (InputIterator first, InputIterator last, const
Compare& comp = Compare(), const Allocator& =
Allocator() );
[first, last)
间中的元素构造
set
set ( const set<Key,Compare,Allocator>& x);
set 的拷贝构造

3. set的迭代器

函数声明功能介绍
iterator begin()返回set中起始位置元素的迭代器
iterator end()返回set中最后一个元素后面的迭代器
const_iterator cbegin() const返回set中起始位置元素的const迭代器
const_iterator cend() const返回set中最后一个元素后面的const迭代器
reverse_iterator rbegin()返回set第一个元素的反向迭代器,即end
reverse_iterator rend()
返回set最后一个元素下一个位置的反向迭代器,即rbegin
const_reverse_iterator
crbegin() const
返回set第一个元素的反向const迭代器,即cend
const_reverse_iterator
crend() const
返回 set 最后一个元素下一个位置的反向 const 代器,即 crbegin

4. set的容量

函数声明功能介绍
bool empty ( ) const检测set是否为空,空返回true,否则返回true
size_type size() const返回set中有效元素的个数

5. set修改操作

函数声明
功能介绍
pair<iterator,bool> insert ( const value_type& x )
set 中插入元素 x ,实际插入的是 <x, x> 构成的 键值对,如果插入成功,返回 < 该元素在 set 中的 位置, true>, 如果插入失败,说明 x set 中已经 存在,返回 <x set 中的位置, false>

void erase ( iterator

position )

删除setposition位置上的元素
size_type erase ( const
key_type& x )
删除 set 中值为 x 的元素,返回删除的元素的个数
void erase ( iterator first,
iterator last )
删除set[first, last)区间中的元素
void swap (
set<Key,Compare,Allocator>& st );
交换set中的元素
void clear ( )
set 中的元素清空
iterator find ( const key_type& x ) const
返回set中值为x的元素的位置
size_type count ( const
key_type& x ) const
返回 set 中值为 x 的元素的个数

4.set的模拟实现

首先我们要使用红黑树进行封装set即可,如下是RBTree.cpp的文件,有关红黑树的详细介绍,可以点击了解C++ 红黑树

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
namespace rbtree
{
enum Color
{
RED,
BLACK,
};
//当我们需要存储键值对,那么T就是pair<K, V>
//当我们只存储key值,那么T就是K
template <class T>
struct RBTreeNode
{
//构造函数
RBTreeNode(T data)
:_left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _parent(nullptr)
, _data(data)
, _col(RED)
{}
//成员变量
RBTreeNode* _left;
RBTreeNode* _right;
RBTreeNode* _parent;
T _data;//节点数据
Color _col;//颜色
};
//实现迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct RBTreeIterator
{
typedef RBTreeNode<T> Node;
typedef RBTreeIterator<T, Ref, Ptr> Self;
Node* _node;
//构造函数
RBTreeIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &(_node->_data);
}
bool operator==(const Self& s)const
{
return _node == s._node;
}
bool operator!=(const Self& s)const
{
return _node != s._node;
}
//前置++
Self& operator++()
{
//如果右子树不为空,说明该树未取完,要取右子树的最左结点
if (_node->_right)
{
Node* left = _node->_right;
while (left->_left)
{
left = left->_left;
}
_node = left;
}
//右子树为空,说明该树已经取完,要回到cur为左孩子的parent
else
{
Node* cur = _node, * parent = cur->_parent;
while (parent && parent->_right == cur)
{
cur = parent;
parent = cur->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
//后置++
Self operator++(int)
{
Self old = new Self(_node);
//如果右子树不为空,说明该树未取完,要取右子树的最左结点
if (_node->_right)
{
Node* left = _node->_right;
while (left->_left)
{
left = left->_left;
}
_node = left;
}
//右子树为空,说明该树已经取完,要回到cur为左孩子的parent
else
{
Node* cur = _node, * parent = cur->_parent;
while (parent && parent->_right == cur)
{
cur = parent;
parent = cur->_parent;
}
_node = parent;
}
return old;
}
//前置--
Self& operator--()
{
Self old = new Self(_node);
//如果左子树不为空,说明该树未取完,要取左子树的最右结点
if (_node->_left)
{
Node* right = _node->_left;
while (right->_right)
{
right = right->_right;
}
_node = right;
}
//左子树为空,说明该树已经取完,要回到cur为右孩子的parent
else
{
Node* cur = _node, * parent = cur->_parent;
while (parent && parent->_left == cur)
{
cur = parent;
parent = cur->_parent;
}
_node = parent;
}
return old;
}
//后置--
Self operator--(int)
{
//如果左子树不为空,说明该树未取完,要取左子树的最右结点
if (_node->_left)
{
Node* right = _node->_left;
while (right->_right)
{
right = right->_right;
}
_node = right;
}
//左子树为空,说明该树已经取完,要回到cur为右孩子的parent
else
{
Node* cur = _node, * parent = cur->_parent;
while (parent && parent->_left == cur)
{
cur = parent;
parent = cur->_parent;
}
_node = parent;
}
return *this;
}
};
//前面的K用于传入key的类型,后面的T用于传入红黑树存储的数据类型。
keyOfT仿函数,取出T对象中的key,用于比较
template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
typedef typename RBTreeNode<T> Node;
typedef typename RBTreeIterator<T, T&, T*> iterator;
public:
//构造函数
RBTree()
:_root(nullptr)
{} 
//析构函数
~RBTree()
{
Destroy(_root);
_root = nullptr;
}
iterator begin()
{
Node* left = _root;
while (left->_left)
{
left = left->_left;
}
return iterator(left);
}
iterator end()
{
return iterator(nullptr);
}

pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
{
KeyOfT kot; 
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(data);
_root->_col = BLACK;
return make_pair(iterator(_root), true);
}
//找位置插入
Node* cur = _root, * parent = _root;
while (cur)
{
if (kot(data) < kot(cur->_data))
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (kot(data) > kot(cur->_data))
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else
{
return make_pair(iterator(cur), false);
}
}
cur = new Node(data);
cur->_parent = parent;
if (kot(data) < kot(parent->_data))
{
parent->_left = cur;
}
else
{
parent->_right = cur;
}
Node* ret = cur;
//检查颜色(当连续出现两个红色时需要调整)
while (parent && parent->_col == RED)
{
Node* grandparent = parent->_parent;
if (parent == grandparent->_left)
{
Node* uncle = grandparent->_right;
//如果uncle存在且为红,则将parent和uncle变黑,grandparent变红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandparent->_col = RED;
//继续向上检查
cur = grandparent;
parent = cur->_parent;
}
//uncle不存在或者为黑
else
{
//将grandparent右旋,grandparent变为红,parent变为黑
if (cur == parent->_left)
{
RotateR(grandparent);
grandparent->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
//将parent左旋,grandparent右旋,将cur变为黑,grandparent变为红
else
{
RotateL(parent);
RotateR(grandparent);
grandparent->_col =  RED;
cur->_col = BLACK;
}
//此时最上面的结点为黑,可以直接结束
break;
}
}
else
{
Node* uncle = grandparent->_left;
//如果uncle存在且为红,则将parent和uncle变黑,grandparent变红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandparent->_col = RED;
//继续向上检查
cur = grandparent;
parent = cur->_parent;
}
//uncle不存在或者为黑
else
{
//将grandparent左旋,grandparent变为红,parent变为黑
if (cur == parent->_right)
{
RotateL(grandparent);
 grandparent->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
//将parent右旋,grandparent左旋,将cur变为黑,grandparent变为红
else
{
RotateR(parent);
RotateL(grandparent);
grandparent->_col = RED;
cur->_col = BLACK;
}
break;
}
}
}
//把根节点变为黑
_root->_col = BLACK;
return make_pair(iterator(ret), true);
}

bool _IsRBTree(Node* root, int count, int blacknum)
{
if (root == nullptr)
{
if (count != blacknum)
{
return false;
}
return true;
}
if (root->_col == BLACK)
{
count++;
}
return _IsRBTree(root->_left, count, blacknum) &&
_IsRBTree(root->_right, count, blacknum);
}
bool IsRBTree()
{
if (_root->_col == RED)
{
return false;
}
int blacknum = 0;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (cur->_col == BLACK)
{
blacknum++;
}
cur = cur->_left;
}
return _IsRBTree(_root, 0, blacknum);
}
void _InOrder(Node* root)
{
KeyOfT kot;
if (root == nullptr)
{
return;
}
_InOrder(root->_left);
cout << kot(root->_data) << " ";
_InOrder(root->_right);
}
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
cout << endl;
}
private:
void Destroy(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
Destroy(root->_left);
Destroy(root->_right);
delete root;
}
//左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
Node* grandparent = parent->_parent;
parent->_right = subRL;
if (subRL)
{
subRL->_parent = parent;
}
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
if (parent == _root)
{
_root = subR;
}
else
{
if (grandparent->_left == parent)
grandparent->_left = subR;
else
grandparent->_right = subR;
}
subR->_parent = grandparent;
}
//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
Node* grandparent = parent->_parent;
parent->_left = subLR;
if (subLR)
{
subLR->_parent = parent;
}
subL->_right = parent;
parent->_parent = subL;
if (parent == _root)
{
_root = subL;
}
else
{
if (grandparent->_left == parent)
grandparent->_left = subL;
else
grandparent->_right = subL;
}
subL->_parent = grandparent;
}
//左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
int bf = subLR->_bf;
RotateL(subL);
RotateR(parent);
}
//右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = parent->_left;
int bf = subRL->_bf;
RotateR(subR);
RotateL(parent);
}
Node* _root;
};
};

set.cpp文件如下

#include "RBTree.cpp"
namespace lbk
{
template<class K>
class set
{
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& key)
{
return key;
}
};
public:
typedef typename rbtree::RBTreeIterator<K, K&, K*> iterator;
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
pair<iterator, bool> insert(const K& key)
{
return _t.Insert(key);
}
void InOrder()
{
_t.InOrder();
}
private:
//前面的K用于传入key的类型,后面的T用于传入红黑树存储的数据类型。
//红黑树中存储的值不可以改变,应加上const
rbtree::RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
};
};


原文地址:https://blog.csdn.net/2301_79881188/article/details/140698926

免责声明:本站文章内容转载自网络资源,如本站内容侵犯了原著者的合法权益,可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网(zxcms.com)!