C++ 第四阶段 STL 容器 - 第五讲：详解 std::set 与 std::unordered_set

目录

📌 一、std::set 与 std::unordered_set 概述

📌 二、std::set 详解

1. 核心特性

2. 常用函数解析

3. 自定义比较函数

📌 三、std::unordered_set 详解

1. 核心特性

2. 常用函数解析

3. 自定义哈希与比较函数

📌 四、性能对比与优化建议

1. 性能对比表

2. 优化建议

📌 五、常见陷阱与解决方案

1. 修改 std::set 中的元素

2. std::unordered_set 的 rehash

3. 自定义类型的哈希冲突

📌 六、典型应用场景

1. 去重场景

2. 快速查找

3. 有序集合操作

🧠 总结

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📌 一、std::set 与 std::unordered_set 概述

std::set 和 std::unordered_set 是 C++ STL 中的 集合容器，用于存储唯一的元素集合。它们的核心区别在于：

📌 二、std::set 详解

1. 核心特性

• 唯一性：所有元素唯一。
• 自动排序：元素按升序排列（默认使用 < 运算符）。
• 双向迭代器：支持顺序遍历。
• 动态内存管理：自动调整红黑树结构。

2. 常用函数解析

#include <set>
#include <iostream>

int main() {
    // 1. 初始化
    std::set<int> s1;
    std::set<int> s2 = {1, 3, 2};
    std::set<int> s3(s2.begin(), s2.end());

    // 2. 插入与删除
    s1.insert(5);  // 插入单个元素
    s1.insert({6, 7, 8});  // 插入多个元素
    s1.erase(5);  // 删除指定值
    s1.erase(s1.begin());  // 删除指定迭代器位置

    // 3. 查找与访问
    auto it = s1.find(3);
    if (it != s1.end()) {
        std::cout << "Found: " << *it << "\n";
    }

    // 4. 遍历
    for (const auto& val : s1) {
        std::cout << val << " ";  // 输出有序元素
    }

    // 5. 特殊操作（仅 set 支持）
    auto lb = s1.lower_bound(4);  // >=4 的第一个元素
    auto ub = s1.upper_bound(4);  // >4 的第一个元素
    return 0;
}

3. 自定义比较函数

struct CompareDesc {
    bool operator()(int a, int b) const {
        return a > b;  // 降序排列
    }
};

std::set<int, CompareDesc> s = {3, 1, 2};
for (const auto& val : s) {
    std::cout << val << " ";  // 输出 3 2 1
}

📌 三、std::unordered_set 详解

1. 核心特性

• 唯一性：所有元素唯一。
• 无序性：元素存储顺序由哈希值决定。
• 快速查找：平均时间复杂度为 O(1)。
• 哈希冲突：通过链表或开放寻址法解决。

2. 常用函数解析

#include <unordered_set>
#include <iostream>

int main() {
    // 1. 初始化
    std::unordered_set<int> us1;
    std::unordered_set<int> us2 = {1, 3, 2};
    std::unordered_set<int> us3(us2.begin(), us2.end());

    // 2. 插入与删除
    us1.insert(5);
    us1.insert({6, 7, 8});
    us1.erase(5);
    us1.erase(us1.begin());  // 删除指定迭代器位置

    // 3. 查找与访问
    if (us1.find(3) != us1.end()) {
        std::cout << "Found\n";
    }

    // 4. 遍历
    for (const auto& val : us1) {
        std::cout << val << " ";  // 输出无序元素
    }

    // 5. 性能优化
    us1.reserve(100);  // 预分配桶空间
    us1.max_load_factor(0.75);  // 设置最大负载因子
    return 0;
}

3. 自定义哈希与比较函数

struct Key {
    int a, b;
    bool operator==(const Key& other) const {
        return a == other.a && b == other.b;
    }
};

struct KeyHash {
    std::size_t operator()(const Key& k) const {
        return std::hash<int>()(k.a) ^ (std::hash<int>()(k.b) << 1);
    }
};

std::unordered_set<Key, KeyHash> mySet;
mySet.insert({1, 2});

📌 四、性能对比与优化建议

1. 性能对比表

2. 优化建议

• std::set：
  • 适用于需要有序集合的场景。
  • 避免频繁插入/删除导致的树结构调整。
  • 使用 lower_bound/upper_bound 提高性能。
• std::unordered_set：
  • 适用于快速查找/插入/删除的场景。
  • 预分配桶空间（reserve()）减少 rehash 次数。
  • 调整负载因子（max_load_factor()）优化内存使用。
  • 自定义高效的哈希函数和比较器。

📌 五、常见陷阱与解决方案

1. 修改 std::set 中的元素

• 问题：std::set 中的元素不可直接修改，否则会破坏排序。
• 解决方案：删除旧元素并插入新元素。

std::set<int> s = {1, 2, 3};
s.erase(2);
s.insert(4);

2. std::unordered_set 的 rehash

• 问题：插入元素可能导致 rehash，迭代器失效。
• 解决方案：避免在遍历时直接修改容器，或使用临时容器。

for (auto it = us.begin(); it != us.end(); ) {
    if (*it % 2 == 0) {
        it = us.erase(it);  // 安全删除
    } else {
        ++it;
    }
}

3. 自定义类型的哈希冲突

• 问题：自定义类型未定义哈希函数或比较器。
• 解决方案：重载 operator== 和自定义哈希函数。

struct Key {
    int a, b;
    bool operator==(const Key& other) const {
        return a == other.a && b == other.b;
    }
};

struct KeyHash {
    std::size_t operator()(const Key& k) const {
        return std::hash<int>()(k.a) ^ (std::hash<int>()(k.b) << 1);
    }
};

std::unordered_set<Key, KeyHash> mySet;

📌 六、典型应用场景

1. 去重场景

• 适用场景：统计唯一元素数量。

std::unordered_set<std::string> uniqueWords;
std::string text = "hello world hello";
std::istringstream iss(text);
std::string word;
while (iss >> word) {
    uniqueWords.insert(word);
}
std::cout << "Unique words: " << uniqueWords.size() << "\n";

2. 快速查找

• 适用场景：验证元素是否存在。

std::set<int> blacklist = {1001, 1002, 1003};
if (blacklist.find(1001) != blacklist.end()) {
    std::cout << "Blocked!\n";
}

3. 有序集合操作

• 适用场景：需要按顺序处理元素。

std::set<int> sortedData = {5, 1, 3};
for (int val : sortedData) {
    std::cout << val << " ";  // 输出 1 3 5
}

🧠 总结