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C++ std::Set＜std::pair＞的实现示例

2025-10-21 09:17:25 作者：全体目光向我看齐

本文主要介绍了C++ std::Set＜std::pair＞的实现示例,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面随着小编来一起学习学习吧

1)std::set的三个关键特性

元素自动排序：std::set 始终按严格弱序（默认 std::less<Key> 的字典序）维持有序，常见操作（插入、查找、上下界）复杂度均为 O(log N)。
元素不允许重复：比较器认为“等价”的元素不能共存（即 !(a<b) && !(b<a) 为真时视为等价）。
基于红黑树实现：标准库通常采用红黑树；因此“有序 + 查找高效”是它相对 unordered_set 的显著特征。

2) 关于比较：Timestamp与std::unique_ptr<int>能否比较？

Timestamp：你给出的成员是 private int secondsFromEpoch。要参与排序，必须为 Timestamp 提供可用的严格弱序比较（通常实现 operator< 或在比较器内访问一个 getter()）。
std::unique_ptr<int>：
- 标准提供了与同类 unique_ptr 的关系运算符（<、<=、>、>=、==、!=），其比较语义是按底层指针地址比较（实现上等价于 std::less<int*>{}(p.get(), q.get())）。
- 注意：这不是按指向的“整数值”比较，而是按地址。如果你的业务语义是“同时间戳 + 指针指向的值也相等才算相等/有序”，地址比较可能不符合预期。
- 结论：可以比较，但“比较的是地址而非内容”。

字典序：std::pair<A,B> 的默认 < 比较是先比较 first，若相等再比较 second。因此在 std::set<std::pair<Timestamp, std::unique_ptr<int>>> 中：

先比较 Timestamp；
Timestamp 相等时，再比较 unique_ptr<int> 的地址。

3) 自定义透明比较器（heterogeneous lookup）

直接用 pair<Timestamp, unique_ptr<int>> 做键会遇到查找难题：

你不能构造一个临时 unique_ptr<int> 作为查找键的第二分量（会产生错误的所有权，临时对象析构时会delete 它指向的地址，造成双重释放风险）。
正确姿势是用透明比较器支持“用 (Timestamp, const int*) 这类异质键进行查找”，从而无需构造 unique_ptr。

透明比较器（具备 using is_transparent = void;）允许 set.find / erase / lower_bound 等直接用可比较但类型不同的键（如 const int*）进行 O(log N) 查找。

4) CRUD 规范做法（C++17+）

下述代码块分别演示 Create/Read/Update/Delete。请先看类型与比较器。

#include <set>
#include <memory>
#include <utility>
#include <optional>
#include <iostream>

// ========== 1) 可排序的 Timestamp ==========
class Timestamp {
    int secondsFromEpoch_; // 私有
public:
    explicit Timestamp(int s = 0) : secondsFromEpoch_(s) {}
    int seconds() const noexcept { return secondsFromEpoch_; }
    // 定义严格弱序（仅按秒比较）
    friend bool operator<(const Timestamp& a, const Timestamp& b) noexcept {
        return a.secondsFromEpoch_ < b.secondsFromEpoch_;
    }
};

// 方便书写
using Key = std::pair<Timestamp, std::unique_ptr<int>>;

// ========== 2) 透明比较器：支持 pair<Timestamp, unique_ptr<int>>
// 以及 (Timestamp, const int*) 这种异质键的比较与查找 ==========
struct PairCmp {
    using is_transparent = void; // 启用异质查找

    // 基本：pair vs pair（按字典序：先时间戳，再指针地址）
    bool operator()(const Key& a, const Key& b) const noexcept {
        if (a.first < b.first) return true;
        if (b.first < a.first) return false;
        return std::less<const int*>{}(a.second.get(), b.second.get());
    }

    // 异质：pair vs (Timestamp, const int*)
    bool operator()(const Key& a, const std::pair<Timestamp, const int*>& b) const noexcept {
        if (a.first < b.first) return true;
        if (b.first < a.first) return false;
        return std::less<const int*>{}(a.second.get(), b.second);
    }
    bool operator()(const std::pair<Timestamp, const int*>& a, const Key& b) const noexcept {
        if (a.first < b.first) return true;
        if (b.first < a.first) return false;
        return std::less<const int*>{}(a.second, b.second.get());
    }

    // 也可追加只按 Timestamp 的异质比较（用于范围查询）
    bool operator()(const Key& a, const Timestamp& t) const noexcept {
        return a.first < t;
    }
    bool operator()(const Timestamp& t, const Key& b) const noexcept {
        return t < b.first;
    }
};

using PairSet = std::set<Key, PairCmp>;

A. Create（插入）

std::set 是节点容器，可无拷贝插入仅移动类型（如 unique_ptr）。
用 emplace / insert，传右值/用 std::make_unique。

PairSet s;

// 1) 直接 emplace（推荐）
s.emplace(Timestamp{100}, std::make_unique<int>(42));
s.emplace(Timestamp{100}, std::make_unique<int>(7));   // 与上一个可共存：时间戳相同但地址不同
s.emplace(Timestamp{120}, std::make_unique<int>(99));

// 2) 先构造 Key 再 move
Key k{ Timestamp{130}, std::make_unique<int>(123) };
s.insert(std::move(k)); // k.second 置空

要点：

如果你希望“相同 Timestamp 只允许一条记录”，就不要把 unique_ptr 纳入比较；而应改用“仅比较 Timestamp”的比较器（见 §7 变体方案）。

B. Read（查询/遍历）

1) 按（Timestamp, 指针地址）精确查找

利用透明比较器，避免构造临时 unique_ptr。

Timestamp t{100};
const int* addr = /* 已知的底层指针地址，如 it->second.get() */;
auto it = s.find(std::pair<Timestamp, const int*>{t, addr});
if (it != s.end()) {
    std::cout << "found value=" << *(it->second) << "\n";
}

2) 按时间戳做范围/等值查找

// 所有 timestamp == 100 的区间：
auto rng = s.equal_range(Timestamp{100}); // 依赖我们在比较器中提供的 (Key, Timestamp) 重载
for (auto it = rng.first; it != rng.second; ++it) {
    // 这些元素的 it->first.seconds() 都是 100
}

// 所有 timestamp 在 [100, 130)：
for (auto it = s.lower_bound(Timestamp{100}); it != s.lower_bound(Timestamp{130}); ++it) {
    // ...
}

3) 遍历（有序）

for (const auto& [ts, ptr] : s) {
    std::cout << ts.seconds() << " -> " << (ptr ? *ptr : -1) << "\n";
}

C. Update（更新）

重要原则：std::set 中的元素作为“键”不可就地修改其影响排序的部分（包括 Timestamp 与 unique_ptr 的地址）。否则会破坏红黑树不变量。
正确做法：使用 node handle（C++17）进行“摘除-修改-再插入”。

1) 修改Timestamp或替换unique_ptr（地址会变）

// 找到一个元素
auto it = s.lower_bound(Timestamp{100});
if (it != s.end() && it->first.seconds() == 100) {
    // 1) extract 节点，容器不再管理平衡关系中的该节点
    auto nh = s.extract(it);       // node_handle，拥有该 pair 的完整所有权
    // 2) 修改 key 内容（注意：任何影响排序的字段都只能在 node 中修改）
    nh.value().first = Timestamp{105};                  // 改时间戳
    nh.value().second = std::make_unique<int>(555);     // 新指针（地址变化）
    // 3) 重新插入
    auto [pos, ok] = s.insert(std::move(nh));
    // ok==false 表示与现有元素等价（违反唯一性），插入失败
}

2) 仅更新指向对象的“值”（不改变地址）

如果你不更换 unique_ptr 本身，只是修改它指向的 int 的数值（地址不变），就不会影响排序，可在常量迭代器上做“逻辑修改”前需要去除 const：

标准不允许通过 const_iterator 直接修改元素；但你可以用 const_cast<int&>(*ptr) 或将迭代器转换为非常量迭代器（C++23 提供了 const_iterator 到 iterator 的 mutable_iterator 转换；更通用办法是先通过查找得到非 const 迭代器）。

简化起见，建议：提取 node 后修改再插回，语义最清晰。

D. Delete（删除）

// 1) 迭代器删除
if (!s.empty()) {
    s.erase(s.begin());
}

// 2) 按异质键删除（Timestamp + 地址）
Timestamp t{100};
const int* addr = /*...*/;
s.erase(std::pair<Timestamp, const int*>{t, addr});

// 3) 按时间戳范围删除
s.erase(s.lower_bound(Timestamp{100}), s.lower_bound(Timestamp{130}));

5) 典型陷阱与建议

临时 unique_ptr 作为查找键：千万不要用 find({ts, std::unique_ptr<int>(raw)}) 查找，临时 unique_ptr 析构时会 delete raw，导致双重释放。请使用透明比较器 + 原始指针地址的异质查找。
修改键值破坏有序性：在容器中直接改 Timestamp 或把 unique_ptr 换成另一块地址，都会破坏树的排序假设。务必用 extract→修改→insert。
语义核对：unique_ptr 的比较是按地址而非按“指向内容”。如果你想让“同一 Timestamp + 相同内容（例如 *ptr）才算相等，需要自定义比较器改成按 *ptr 值比较（并处理空指针）。
标准版本：
- C++17 起：有 node_handle、更明确的对仅移动键（如 unique_ptr）的支持。强烈建议使用 C++17+。
- 透明比较器用法在 C++14 就可行（is_transparent 习惯用法），但与 node handle 结合最顺畅的是 C++17+。

6) 小结（要点清单）

std::set：自动排序、唯一性、红黑树、O(log N)。
pair<Timestamp, unique_ptr<int>> 的默认字典序比较可用：先 Timestamp，再指针地址。
由于 unique_ptr 是仅移动类型：用 emplace/insert(std::move)；查找应使用透明比较器 + 原始指针地址的异质查找，不要构造临时 unique_ptr。
更新键请走 extract→修改→insert；修改指向对象内容不改变地址，一般不破坏排序。
若你的业务语义不是“按地址”，请自定义比较器（例如比较 *ptr 的值，或仅比较 Timestamp）。
建议 C++17+（为 node_handle 与仅移动键的良好支持）。

完整最小示例（可直接参考）

#include <set>
#include <memory>
#include <utility>
#include <iostream>

class Timestamp {
    int secondsFromEpoch_;
public:
    explicit Timestamp(int s = 0) : secondsFromEpoch_(s) {}
    int seconds() const noexcept { return secondsFromEpoch_; }
    friend bool operator<(const Timestamp& a, const Timestamp& b) noexcept {
        return a.secondsFromEpoch_ < b.secondsFromEpoch_;
    }
};

using Key = std::pair<Timestamp, std::unique_ptr<int>>;

struct PairCmp {
    using is_transparent = void;

    bool operator()(const Key& a, const Key& b) const noexcept {
        if (a.first < b.first) return true;
        if (b.first < a.first) return false;
        return std::less<const int*>{}(a.second.get(), b.second.get());
    }
    bool operator()(const Key& a, const std::pair<Timestamp, const int*>& b) const noexcept {
        if (a.first < b.first) return true;
        if (b.first < a.first) return false;
        return std::less<const int*>{}(a.second.get(), b.second);
    }
    bool operator()(const std::pair<Timestamp, const int*>& a, const Key& b) const noexcept {
        if (a.first < b.first) return true;
        if (b.first < a.first) return false;
        return std::less<const int*>{}(a.second, b.second.get());
    }
    bool operator()(const Key& a, const Timestamp& t) const noexcept { return a.first < t; }
    bool operator()(const Timestamp& t, const Key& b) const noexcept { return t < b.first; }
};

using PairSet = std::set<Key, PairCmp>;

int main() {
    PairSet s;

    // Create
    auto [it1, ok1] = s.emplace(Timestamp{100}, std::make_unique<int>(42));
    auto [it2, ok2] = s.emplace(Timestamp{100}, std::make_unique<int>(7));
    s.emplace(Timestamp{120}, std::make_unique<int>(99));

    // Read: find by (Timestamp, raw pointer)
    const int* addr = it1->second.get();
    auto it = s.find(std::pair<Timestamp, const int*>{Timestamp{100}, addr});
    if (it != s.end()) {
        std::cout << "Found ts=" << it->first.seconds() << " val=" << *it->second << "\n";
    }

    // Read: range by timestamp
    std::cout << "ts==100:\n";
    for (auto p = s.lower_bound(Timestamp{100}); p != s.upper_bound(Timestamp{100}); ++p) {
        std::cout << "  " << p->first.seconds() << " -> " << *p->second << "\n";
    }

    // Update: extract -> modify -> insert
    if (it2 != s.end()) {
        auto nh = s.extract(it2);                        // 取出节点
        nh.value().first = Timestamp{105};               // 改键(时间戳)
        nh.value().second = std::make_unique<int>(555);  // 换指针(地址变)
        s.insert(std::move(nh));                         // 重新插入
    }

    // Delete: by heterogeneous key
    s.erase(std::pair<Timestamp, const int*>{Timestamp{100}, addr});

    // 遍历
    for (const auto& [ts, ptr] : s) {
        std::cout << ts.seconds() << " -> " << (ptr ? *ptr : -1) << "\n";
    }
}

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