[转]std::set、自定义类型与比较函数

转自:http://www.189works.com/article-42025-1.html

怎样在set中放入自定义类型？这个问题通过谷歌就可以得到不少答案：1、定义一个函数对象并在定义set的时候将其作为第二个模板参数。2、为自定义类型定义<运算符。如：

class Edge
{
public:
Edge(int u, int v): u(u), v(v){}
bool operator < (const Edge& edge) const
{
    return this->u < edge.u;
}    //为了方便起见设为public    int u;      int v;
};
class EdgeComp
{
public:
bool operator()(const Edge& left, const Edge& right)
{
    return left.u < right.u;
}
};
std::set<Edge> edge_set;
Edge edge_a(0, 1);
Edge edge_b(0, 2);
edge_set.insert(edge_a);
edge_set.insert(edge_b);
std::set<Edge, EdgeComp> edge_set2;
edge_set2.insert(edge_a);
edge_set2.insert(edge_b);

　　

其实两种方法的道理是一样的，就是set需要一个比较函数对象comp。set的第二个模板参数默认为less函数对象，它会调用自定义类型的<运算符。那么，为什么需要这个比较对象呢。让我们看看标准中对关联容器的规定：two keys k1 and k2 are considered to be equivalent if for the comparison object comp, comp(k1, k2) == false && comp(k2, k1) == false.

原来set需要这个comp函数对象来判断元素的唯一性，通过两次参数顺序不同的调用来确定。但是是不是自定义的比较函数仅仅满足这个条件就够了呢？我们先来看看下面这个来自stackoverflow的问题；对于Edge类，为了将(1,2)、(2,1)视为同样的对象（可以想象Edge表示一条直线上的线段，那么这两个对象其实表达的是同一条线段），提问者定义了如下<运算符：

bool operator< (const Edge& e) const
{
    bool result = true;
    if( (u == e.u && v == e.v)||(v == e.u && u == e.v) )
    {
        result = false;
    }
    return result;
}

　　

对(1,2)、(2,1)两个Edge对象，该运算符当然满足k1 < k2==false && k2 < k1==false。这完全符合Effective STL的第21条（的标题）：总是让比较函数在等值情况下返回false。按理说应该可以正确的保证set中元素的唯一性。但是结果向set插入(1,2) -> (1,2) -> (2,1) -> (3,2) -> (2,3) -> (5,2)-> (1,2)后， set中却保存了如下元素：(1,2), (3,2), (5,2), (1,2)。

这是为什么呢？原来标准中对对关联容器还有另一个规定：

Effective STL的第21条内部也提到了（看来读书不能只做标题党啊），“从技术上来说，用于对关联容器排序的比较函数必须为它们所比较的对象定义一个‘严格的弱序化’(strick weak ordering)”。什么是严格的弱序化？让我们看看wiki上的定义：Each associative container is parameterized on Key and an ordering relation Compare that induces a strict weak ordering on elements of Key.

其实Effective STL的第21条内部也提到了（看来读书不能只做标题党啊），“从技术上来说，用于对关联容器排序的比较函数必须为它们所比较的对象定义一个‘严格的弱序化’(strick weak ordering)”。什么是严格的弱序化？让我们看看wiki上的定义：严格弱序化拥有如下属性:对于集合S中所有的x，y，z，对于所有的x，不存在x < x （非自反性 - 21条标题说的就是这个）;对于所有x不等于y，如果x < y那么不存在y < x （不对称性）;对于所有的x，y和z，如果x < y并且y < z，那么x < z（传递性）;如果x < y，那么对于所有的z，要么x < z要么z < y（或者两者都成立）.

显然，上例中的<运算符违反了不对称性，只要x，y不相等，x < y和 y < x都会返回true。下面让我们再来分析一下为什么这个违规会造成多余节点的插入。由于标准对关联容器的一些约束，如在关联容器中查找一个元素需要在对数时间内完成，基本上所有关联容器的底层都会用二叉搜索树类的数据结构来实现。这里就用平衡二叉搜索树作为例子，虽然实际的实现一般是更特殊的红黑树，但是不影响分析。另外值得注意的是，违反了标准属于未定义行为，所以下面的分析只是一种可能性。我们知道，一个二叉搜索树的节点放置规则是：任何节点的键值一定大于其左子树中任一节点的键值，并小于其右子数中任一节点的键值。因此我们可以模拟出插入过程，注意所有不相等的数对都回返回true，即永远只会与左子树中的节点比较：

插入(1,2)：（1,2）

插入(1,2)：与(1,2)比较判定为已存在，不插入

插入(2,1)：与(1,2)比较判定为已存在，不插入

插入(3,2)：

(1,2）

/

(3,2)

插入(2,3)：与(1,2)比较返回true，然后与(3,2)比较，判定为已存在，不插入

插入(5,2)：与(1,2)比较返回true，然后与(3,2)比较返回true，插入。之后对树进行了重新平衡

(3,2)

/     \

(5,2)   (1,2)

插入(1,2)：与(3,2)比较返回true，与(5,2)比较返回true，插入

(3,2)

/     \

(5,2)   (1,2)

/

(1,2)

至此，(1,2)再次被插入了树中。由上面的分析可以看出，如果某C++的实现选择普通的二叉搜索树作为底层数据结构，数据将会退化为一条链表，此时反而是可以防止(1,2)再次被插入的。但是基于性能考虑，相信没有C++实现会这样做。（这里扯个个题外话，VC的set底层实现在debug版本时会对不对称性进行检查，如果违反会抛出一个异常。因此对于debug版有问题，release版没问题的程序也不能掉以轻心啊）

现在我们可以给文章一开始提到的方法添加一个补充约束： 总是让比较函数使被比较对象满足严格的弱序。