C++:Map和Set

瑞星  金牌会员 | 2025-2-14 07:26:12 | 显示全部楼层 | 阅读模式
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一、关联式容器
二、键值对
三、树形结构的关联式容器
            
A.set的模板参数列表
B.set的构造
C.set的迭代器 
D.set的容量
E.set的修改操作
F.set的使用举例

A.map的模板参数列表
B.map的构造
C.map的迭代器
D.map的容量
E.map中元素的修改
 operator[ ]
insert()
   
    


一、关联式容器

   初级阶段我们接触的STL容器比如vector,string,list,deque,forward_list等,这些容器被称为序列式容器,底层为线性序列的数据结构,内里存储的是元素自己。那么也就存在存储的还有并不是自己那么简单的容器!那就是关联式容器,那么有什么区别呢?关联式容器也是用来存储数据的,与序列容器不同的是,其存的是<key,value>结构的键值对! 在数据检索时比序列式容器效率更高!
    搜索模型
在实际搜索中有两个搜索模型:Key的搜索模型和Key/Value的搜索模型
  Key的搜索模型:
  简单来说就是在一个搜索树,搜索树中的内容是一个一个的关键值,而通过肯定的查找本领可以确定一个值在不在这个树内,在实际应用情境中可以在闸机,门禁等地方碰到这个搜索模型,通过给定的信息在已有的信息库中进行搜索,如果有就同一进入,如果没有就禁止进入
  Key/Value的搜索模型:
  这种搜索模型有两个功能,一个功能是进行搜索Key在不在这个搜索树内,第二个功能是用来通过Key可以查找Value的值,在实际应用景象中可以在字典,统计单词出现的次数中见到,在后面也会进行一些举例来更好的理解这种场景的意义所在。
  二、键值对

   用来表示具有逐一对应关系的一种结构,该结构中一样寻常只包含两个成员变量 key 和 value,key 代表键值,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,那该字典中一定有英文单词与其对应的中文寄义,而且,英文单词与此中文寄义是逐一对应的关系,即通过该应该单词,在辞书中就可以找到与其对应的中文寄义。
  

  1. //map 中存放的元素是一个个的键值对(即 pair 对象)
  2. //map中存的是一个pair结构体,key和value被封装在里面
  3. template <class T1, class T2>
  4. struct pair
  5. {
  6.     typedef T1 first_type;  // 键值对中key的类型
  7.     typedef T2 second_type; // 键值对中value的类型
  8.     T1 first; // first相当于key
  9.     T2 second; // second相当于value
  10.     //构造函数
  11.     pair()
  12.         : first(T1())
  13.         , second(T2())
  14.     {}
  15.     //拷贝构造函数
  16.     pair(const T1& a, const T2& b)
  17.         : first(a)
  18.         , second(b)
  19.     {}
  20. };
  21. int main()
  22. {
  23.     //构造一个 pair 对象(键值对):
  24.     std::pair<int, int> p(10, 20);
  25.     //利用 make_pair 函数模板构造一个 pair 对象(键值对),
  26.     //通过传递给 make_pair 的参数隐式推导出来。
  27.     std::pair<int,int> p = std::make_pair(10,20); // 常用这种构造方式
  28.     return 0;
  29. }
复制代码
三、树形结构的关联式容器

   根据应用场景的不同,STL 统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。
  <set> 

   

  

  • set 是按照肯定次序存储元素的容器。
  • 在 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。
  • 在内部,set 中的元素总是按照其内部比力对象(类型比力)所指示的特定严格弱排序准则进行排序。
  • set 容器通过 key 访问单个元素的速率通常比 unordered_set 容器慢,但它们允许根据顺序对子集进行直接迭代。
  • set 在底层是用二叉搜索树(红黑树)实现的。
  A.set的模板参数列表

   

  1、T:set 中存放元素的类型,实际在底层存储 <value, value> 的键值对。
2、Compare:set 中元素默认按照小于 (< 升序)来比力。一样寻常情况下(内置类型元素)该参数不必要传递,如果无法比力时(比如自界说类型),必要用户自己显式传递比力规则(一样寻常情况下按照函数指针大概仿函数来传递)
        小于(< 升序),less。
        大于(> 降序),界说 set 时模板参数中要写上 greater。
3、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。
        使用 set 时,必要包含头文件 #include <set>。
  B.set的构造

   

  C.set的迭代器 

   

  D.set的容量

   

  E.set的修改操作

   

  F.set的使用举例

  1. void test_set()
  2. {
  3.     // 用数组array中的元素构造set
  4.     int array[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 3 };
  5.     set<int> s(array, array+sizeof(array)/sizeof(array));
  6.     cout << s.size() << endl;
  7.     s.insert(4); // 4已经在set中了,不会插入
  8.     cout << s.size() << endl; // 获取set元素个数
  9.     // 正向打印set中的元素,从打印结果中可以看出:set可以去重
  10.     for (auto& e : s)
  11.         cout << e << " ";
  12.     cout << endl;
  13.     // 使用迭代器逆向打印set中的元素
  14.     for (auto it = s.rbegin(); it != s.rend(); ++it)
  15.         cout << *it << " ";
  16.     cout << endl;
  17.     // 两种查找元素方式:
  18.     // 1、algorithm文件中的find函数,底层是暴力查找,全部节点遍历一遍,效率低,O(N)
  19.     // auto ret = find(s.begin(), s.end(), 4);
  20.    
  21.     // 2、set的成员函数,O(logN)
  22.         auto ret = s.find(4);
  23.    
  24.         // 这里需要判断一下,若找到,返回该元素的迭代器,若没有找到,返回s中最后一个元素后面的迭代器
  25.         if (ret != s.end())
  26.         {
  27.                 s.erase(ret); // 删除元素方式1,删除迭代器ret指向的元素
  28.         }
  29.         s.erase(5); // 删除元素方式2:删除值为5的元素
  30.     // set中值为3的元素出现了几次 -- 1次(会去重)
  31.     cout << s.count(3) << endl;
  32. }
复制代码
  留意:set 是不允许数据冗余的,使用 set 迭代器遍历 set 中的元素,可以得到一个有序序列,这样就达到了对一对数据排序+去重的结果。 
  

  • 与 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。
  • set 中插入元素时,只必要插入 value 即可,不必要构造键值对。
  • set 中的元素不可以重复(因此可以使用 set 进行去重)。
  • 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力。
  • set 中查找某个元素,时间复杂度为:O(logn),set 中增删查改都是 O(logN)。
  • set 中的元素不允许修改(为什么? 由于 set 内部实现是基于哈希表的,哈希表中的元素是根据元素的哈希值来进行存储和查找的。如果一个元素被修改了,那么它的哈希值也会发生变化,这样就会导致原来存储该元素的位置无法再次找到该元素,从而破坏了 set 的内部结构。)
  • set 中的底层使用二叉搜索树(红黑树)来实现。
  <map>

   

  

  • map 是关联容器,它按照特定的次序(按照 key 来比力)存储由键值 key 和值 value 组合而成的元素。
  • 在 map 中,键值 key 通常用于排序和唯一地标识元素,而值 value 中存储与此键值 key 关联的内容。键值 key 和值 value 的类型大概不同,并且在 map 的内部,key 与 value 通过成员类型 value_type 绑定在一起,为其取别名称为 pair: typedef pair<const key, T> value_type;
  • 在内部,map 中的元素总是按照键值 key 进行比力排序的。
  • map 中通过键值访问单个元素的速率通常比 unordered_map 容器慢,但 map 允许根据顺序对元素进行直接迭代(即对 map 中的元素进行迭代时,可以得到一个有序的序列)。
  • map 支持下标访问符,即在[ ]中放入 key,就可以找到与 key 对应的 value。
  • map 通常被实现为二叉搜索树,更准确的说:平衡二叉搜索树(红黑树)。
  A.map的模板参数列表

   

  1、key:键值对中 key 的类型。
2、T:键值对中 value 的类型。
3、Compare:比力器的类型,map 中的元素是按照 key 来比力的,缺省情况下按照 小于 (< 升序)来比力,一样寻常情况下(内置类型元素)该参数不必要传递,如果无法比力时(自界说类型),必要用户自己显式传递比力规则(一样寻常情况下按照函数指针大概仿函数来传递)。
        小于(< 升序),less。
        大于(> 降序),界说 map 时模板参数中要写上 greater。
4、Alloc:通过空间配置器来申请底层空间,不必要用户传递,除非用户不想使用尺度库提供的空间配置器。在使用 map 时,必要包含头文件 #include <map>。
  B.map的构造

   

  C.map的迭代器

   

  D.map的容量

   

  当 key 不在 map 中时,通过 operator 获取对应 value 时会发生什么问题?
  

  留意 :在元素访问时,有一个与 operator[] 类似的操作 at()(该函数不常用)函数,都是通过 key 找到与 key 对应的 value 然后返回其引用,不同的是:当 key 不存在时,operator[] 用默认 value 与 key 构造键值对然后插入,返回该默认 value,at() 函数直接抛非常。
  E.map中元素的修改

   

  1. #include <string>
  2. #include <map>
  3. void TestMap()
  4. {
  5.     map<string, string> m;
  6.     // 向map中插入元素的方式:
  7.     // 将键值对<"peach","桃子">插入map中,用pair直接来构造键值对
  8.     m.insert(pair<string, string>("peach", "桃子"));
  9.     // 将键值对<"peach","桃子">插入map中,用make_pair函数来构造键值对
  10.     m.insert(make_pair("banan", "香蕉"));
  11.     // 借用operator[]向map中插入元素
  12. /*
  13.     operator[]的原理是:
  14.     用<key, T()>构造一个键值对,然后调用insert()函数将该键值对插入到map中
  15.     如果key已经存在,插入失败,insert函数返回该key所在位置的迭代器
  16.     如果key不存在,插入成功,insert函数返回新插入元素所在位置的迭代器
  17.     operator[]函数最后将insert返回值键值对中的value返回
  18. */
  19.     // 将<"apple", "">插入map中,插入成功,返回value的引用,将“苹果”赋值给该引用结果,
  20.     m["apple"] = "苹果";
  21.     // key不存在时抛异常
  22.     //m.at("waterme") = "水蜜桃";
  23.     cout << m.size() << endl;
  24.     // 用迭代器去遍历map中的元素,可以得到一个按照key排序的序列
  25.     for (auto& e : m)
  26.         cout << e.first << "--->" << e.second << endl;
  27.     cout << endl;
  28.     // map中的键值对key一定是唯一的,如果key存在将插入失败
  29.     auto ret = m.insert(make_pair("peach", "桃色"));
  30.     if (ret.second)
  31.         cout << "<peach, 桃色>不在map中, 已经插入" << endl;
  32.     else
  33.         cout << "键值为peach的元素已经存在:" << ret.first->first << "--->" << ret.first->second << "插入失败" << endl;
  34.     // 删除key为"apple"的元素
  35.     m.erase("apple");
  36.     if (1 == m.count("apple"))
  37.         cout << "apple还在" << endl;
  38.     else
  39.         cout << "apple被吃了" << endl;
  40. }
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 operator[ ]

   前面学习的 vector 容器内里的 vector:perator[] 是传入元素下标,返回对该元素的引用。而 map 中的 operator[ ]访问元素函数,和其它容器有挺大区别的,已经不是传统的数组下标访问了。operator[ ] 底层实际上调用的 insert() 函数。
  

  那么对这句进行解析:(*((this->insert(make_pair(k,mapped_type()))).first)).second
  在理解这句前,要起首知道insert调用的结果是pair<iterator,bool> insert (const value_type& val),返回的是一个pair键值对,这里通过this指针调用了insert函数,再对所得到的键值对取它的first元素,也就是迭代器,再对迭代器进行解引用,迭代器指向的就是插入元素的位置,对迭代器的second解引用得到的就是Key_Value中的Value值
  因此通过[]得到的返回值实在是通过Key来访问到Value值,如果没有Key会优先创建出Key的值,再对Value值进行一些访问修改等操作…
  

  • map中的元素是键值对
  • map中的key是唯一的,并且不能修改
  • 默认按照小于的方式对key进行比力
  • map中的元素如果用迭代器去遍历,可以得到一个有序的序列
  • map的底层为平衡搜索树(红黑树),查找效率比力高
  • 支持[]操作符,operator[]中实际进行插入查找
  map容器中的 map:perator[ ] 是传入键值 key,通过该元素的 key 查找并判断是否在 map 中:
          如果在 map 中,阐明 insert 插入失败,insert 函数返回的 pair 对象会带出指向该元素的迭代器,通过这个迭代器,我们可以拿到该元素 key 对应的映射值 value,然后函数返回其对应映射值 value 的引用。
        如果不在 map 中,阐明 insert 插入成功,插入了这个新元素 <key, value()>,然后函数返回其对应映射值 value 的引用。
留意:这里插入新元素时,该 value() 是一个缺省值,是调用 value 类型的默认构造函数构造的一个匿名对象。(比如是 string 类型就调用 string 的默认构造)
  
  使用 map:perator[] 函数,传入元素的键值 key:
  

  • 如果 key 在map中,返回 key 对应映射值 value 的引用。
  • 如果 key 不在map中,插入该元素 < key, value() >,返回 key 对应映射值 value 的引用。
  • 拿到函数返回的映射值 value,我们可以对其修改。
  这个函数即有查找功能,也有插入功能,还可以修改
  1. map<string, string> dict;
  2. // 这里的意思是,先插入pair("tree", ""),再修改"tree"对应的value值为"树"
  3. dict["tree"] = "树";
  4. // 等价于:
  5. dict["tree"];        // 插入pair("string", "")
  6. dict["tree"] = "树"; // "tree"已存在,修改了"tree"对应的value值为"树"
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类似的成员函数 map::at 在元素存在时和 map:perator[] 具有雷同的举动,区别在于,当元素不存在时 map::at 会抛出非常
  insert()

   

  功能:向 map 中插入元素(pair 对象)时,先通过该元素的 key 查找并判断是否在 map 中:
  

  • 如果在,返回一个 pair 对象:<指向该元素的迭代器, false>。
  • 如果不在,插入该元素 <key, value>,返回一个 pair 对象:<指向该元素的迭代器, true>。
  界说 map,向 map 中插入元素(键值对),map 有两种插入元素方式:一样寻常用第二种。 
  1. // 定义map
  2. map<string, string> dict;
  3. // 向map中插入元素,2种方式:
  4. // 1、将键值对<"sort", "排序">插入map中,直接构造pair匿名对象(键值对)
  5. dict.insert(pair<string, string>("sort", "排序"));
  6. // 2、将键值对<"sort", "排序">插入map中,用make_pair函数来构造pair对象(键值对)
  7. dict.insert(make_pair("left", "左边"));
  8. dict.insert(make_pair("tree", "树"));
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用迭代器遍历 map 元素:
必要留意的是,遍历 map 中元素的方式和其它迭代器有些不同,下面这种是错误树模
   这里的 it 是指向当前元素的迭代器,解引用 *it 是一个 pair 对象(键值对),而 map 中没有流插入运算符的重载,所以不能这样输出。
  1. // 错误示范
  2. map<string, string>::iterator it = dict.begin();
  3. while (it != dict.end())
  4. {
  5.     // cout << *it << endl; // error!
  6.     it++;
  7. }
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这里调用的是 it.operator*() 解引用运算符重载函数,所以 *it 只是得到了当前节点中存储 pair <key,value> 结构体。key 和 value 是一起封装在 pair 结构体中的,不能直接把 key 和 value 输出出来,除非重载了专门针对输出 pair<key,value> 结构体中数据的流插入运算符,比如:ostream& operator << (ostream& out, const pair<K, V>& kv);
   迭代器遍历map元素的两种方式:
  1. // 迭代器遍历map
  2. map<string, string>::iterator it = dict.begin();
  3. while (it != dict.end())
  4. {  
  5.     /* 1、迭代器是像指针一样的类型
  6.     * 对当前元素的迭代器it解引用(*it)可以得到当前节点中存储的数据:即pair对象(键值对),然后用'.'再去访问pair对象中的kv值
  7.     * 这里调用的是it.operator*() 解引用运算符重载函数,返回值为:pair对象的引用
  8.     */
  9.     cout << (*it).first << ", " << (*it).second << endl;
  10.     /* 2、迭代器箭头->,返回当前迭代器指向j的地址(指针):pair<string, int>*,实际上是调用的operator->()函数
  11.     * 该指针再使用'->'就可以取到(pair对象)里面的kv值,即first和second
  12.         * 代码为:it->->first,但可读性太差,编译器进行了特殊处理,省略掉了一个箭头,保持了程序的可读性
  13.     */
  14.     // 一般结构体的指针才会使用'->'来访问成员,所以当迭代器管理的节点中的数据是结构体的时候,就可以用'->'
  15.     cout << it->first << ", " << it->second << endl; // 常用这种写法
  16.     it++;
  17. }
复制代码
【举例】统计单词出现的次数 
第一种解法,界说 map,遍历 str,向 map 中插入元素(键值对):
  1. string str[] = { "sort","sort", "tree","sort", "node", "tree","sort", "sort", };
  2. // 定义map
  3. map<string, int> Map;
  4. // 遍历str
  5. for (auto& e : str)  // 传引用,避免string深拷贝
  6. {
  7.     // 先查找判断当前单词是否已经在Map中了
  8.     auto ret = Map.find(e);
  9.     if (ret == Map.end()) // 如果不在Map中,返回Map中最后一个元素后面的迭代器
  10.     {
  11.         Map.insert(make_pair(e, 1)); // 插入pair对象(键值对),即<单词,单词出现次数>
  12.     }
  13.     else // 如果在Map中,返回该元素的迭代器
  14.     {
  15.         ret->second++; // 单词出现的次数+1
  16.     }
  17. }
  18. // 遍历map,这里的e是map的元素(即pair对象),打印<单词,单词出现次数>
  19. for (auto& e : Map)
  20. {
  21.     cout << e.first << ", " << e.second << endl;
  22. }
复制代码
 上述解法,先查找当前单词是否在 map 中,如果不在,则插入,但是在插入函数内又会查找一次,找到插入的位置,有点冗余。
第二种解法,插入元素时,insert 本来就有查找功能:
  1. void test_map()
  2. {
  3.         string str[] = { "sort", "sort", "tree", "sort", "node", "tree", "sort", "sort", };
  4.        
  5.         // 定义map
  6.         map<string, int> count_map;
  7.         // 遍历str
  8.         for (auto& e : str)
  9.         {
  10.                 // 插入元素
  11.                 auto ret = count_map.insert(make_pair(e, 1));
  12.                 // insert返回值类型是:pair<map<string, int>::iterator, bool>
  13.                 // 插入失败,说明该元素已存在于map中,函数返回一个pair对象
  14.         // 即:pair<指向该元素的迭代器, false>
  15.                 if (ret.second == false)
  16.                 {
  17.                         (ret.first)->second++; // 对当前元素的value值加1
  18.                 }
  19.         }
  20.         // 遍历map,这里的e是map的元素(即pair对象)
  21.         for (auto& e : count_map)
  22.         {
  23.                 cout << e.first << ", " << e.second << endl;
  24.         }
  25. }
复制代码
第三种解法:
   使用 map:perator[] 函数根据当前元素的键值 key 查找,判断该元素是否在 map 中,如果在,返回其映射值 value 的引用,如果不在,当成新元素插入,并返回其映射值 value 的引用。
  若元素 e 存在,返回其对应映射值 value,并加 1。
若元素 e 不存在,则插入,返回其对应映射值 value,并加 1。
  1. string str[] = { "sort", "sort", "tree", "sort", "node", "tree", "sort", "sort", };
  2. // 定义map
  3. map<string, int> Map;
  4. // 使用operator[]函数
  5. for (auto& e : str)
  6. {
  7.     Map[e]++;
  8. }
  9. // 遍历map,打印< 单词,单词出现次数 >
  10. for (auto& e : Map)
  11. {
  12.     cout << e.first << ", " << e.second << endl;
  13. }
复制代码
  [总结]
  

  • map 中的的元素是键值对(pair 结构体)。
  • map 中的 key 是唯一的,并且不能修改,只能修改 key 对应的映射值 value。
  • 默认按照小于的方式对 key 进行比力。
  • map 中的元素如果用迭代器去遍历,可以得到一个有序的序列。
  • map 的底层为平衡搜索树(红黑树),查找效率比力高,时间复杂度为 O(logN)。
  • 支持 [ ] 操作符,operator[ ] 中实际进行插入查找,即在 [] 中放入 key,就可以找到与 key 对应的 value。
  <multiset>


   

  • multiset 是按照特定顺序存储元素的容器,此中元素是可以重复的。
  • multiset 中,元素的 value 也会识别它(由于 multiset 中自己存储的就是 <value, value> 组成的键值对,因此 value 自己就是 key,key 就是 value,类型为 T),multiset 元素的值不能在容器中进行修改(由于元素总是 const 的),但可以从容器中插入或删除。
  • 在内部,multiset 中的元素总是按照其内部比力规则(类型比力)所指示的特定严格弱排序准则进行排序。
  • multiset 容器通过 key 访问单个元素的速率通常比 unordered_multiset 容器慢,但当使用迭代器遍历时会得到一个有序序列。
  • multiset 底层结构为二叉搜索树(红黑树)。
  【留意】
  

  • multiset 中在底层中存储的是 <value, value> 的键值对。
  • mtltiset 的插入接口中只必要插入即可。
  • 与 set 的区别是,multiset 中的元素可以重复,set 中的 value 是唯一的。
  • 使用迭代器对 multiset 中的元素进行遍历,可以得到有序的序列。
  • multiset 中的元素不能修改。
  • 在 multiset 中找某个元素,时间复杂度为 O(logN)。
  • multiset 的作用:可以对元素进行排序。
  1. #include <set>
  2. void TestSet()
  3. {
  4.     int array[] = { 4, 1, 3, 9, 6, 4, 5, 8, 4, 4 };
  5.     // 注意:multiset在底层实际存储的是<int, int>的键值对
  6.     multiset<int> s(array, array + sizeof(array)/sizeof(array[0]));
  7.     for (auto& e : s)
  8.         cout << e << " ";
  9.     cout << endl;
  10.     // 1 3 4 4 4 4 5 6 8 9
  11.     cout << s.count(4) << endl; // 运行结果:3
  12.     cout << s.count(3) << endl; // 运行结果:1
  13.     return 0;
  14. }
复制代码
 <multimap>


   

  • multimap 是关联式容器,它按照特定的顺序,存储由 key 和 value 映射成的键值对<key, value>,此中多个键值对之间的 key 是可以重复的。
  • 在 multimap 中,通常按照 key 排序和唯一地标识元素,而映射的 value 存储与 key 关联的内容。key 和 value 的类型大概不同,通过 multimap 内部的成员类型 value_type 组合在一起,value_type 是组合 key 和 value 的键值对:typedef pair<const Key, T> value_type;
  • 在内部,multimap 中的元素总是通过其内部比力对象,按照指定的特定严格弱排序尺度对 key 进行排序的。
  • multimap 通过 key 访问单个元素的速率通常比 unordered_multimap 容器慢,但是使用迭代器直接遍历 multimap 中的元素可以得到关于 key 有序的序列。
  • multimap 在底层用二叉搜索树(红黑树)来实现。
  【留意】
multimap 和 map 的唯一不同就是:map 中的 key 是唯一的,而 multimap 中的 key 是可以重复的。
   
    multimap 中的接口可以参考 map,功能都是类似的。
留意 :
  

  • multimap 中的 key 是可以重复的。
  • multimap 中的元素默认将 key 按照小于来比力。
  • multimap 中没有重载 operator[ ] 操作(为什么?由于 multimap 中的元素是按照键值有序存储的,而 operator[ ] 操作必要通过键值来访问元素,这样会破坏 multimap 中元素的有序性。因此,multimap 只提供了通过迭代器来访问元素的方式,如 find()、lower_bound()、upper_bound() 等函数)。
  • 使用时与 map 包含的头文件雷同

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