list的使用和模拟实现

夢に向かって進む2023-08-14 12:22

目录

1.list的介绍及使用

[1.1 list的介绍](#1.1 list的介绍)

[1.2 list的使用](#1.2 list的使用)

[1.2.1 list的构造](#1.2.1 list的构造)

[1.2.2 list iterator的使用](#1.2.2 list iterator的使用)

[1.2.3 list capacity](#1.2.3 list capacity)

[1.2.4 list element access](#1.2.4 list element access)

[1.2.5 list modifiers](#1.2.5 list modifiers)

2.为什么使用迭代器？

3.list的模拟实现

3.1完整代码

3.2代码解析

4.list与vector的对比

1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

  1. list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。

  2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。

  3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。

  4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。

  5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)

1.2 list的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口

1.2.1 list的构造

|-----------------------------------------------------------|---------------------------------|
| 构造函数 | 接口说明 |
| list (size_type n, const value_type& val = value_type()) | 构造的list中包含n个值为val的元素 |
| list () | 构造空的list |
| list (const list& x) | 拷贝构造函数 |
| list (InputIterator first, InputIterator last) | 用两个迭代器[firs, last)区间中的元素构造list |

1.2.2 list iterator的使用

此处，可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向 list中的某个节点。

|-------------|-----------------------------------------------------------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| begin+end | 返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器 |
| rbegin+rend | 返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置，返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator，即begin的前一个位置 |

  1. begin 与end 为正向迭代器，对迭代器执行**++** 操作，迭代器向后移动

  2. rbegin(end) 与rend(begin) 为反向迭代器，对迭代器执行**++**操作，迭代器向前移动

1.2.3 list capacity

|----------|------------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| empty | 检查list是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回list中有效节点的个数 |

1.2.4 list element access

|----------|--------------------|
| 函数声明 | 接口声明 |
| front | 返回list的第一个节点中值的引用 |
| back | 返回list的最后一个节点中值的引用 |

1.2.5 list modifiers

|------------|----------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| push_front | 在list首元素前插入值为val的元素 |
| pop_front | 删除list中第一个元素 |
| push_back | 在list尾部插入值为val的元素 |
| pop_back | 删除list中最后一个元素 |
| insert | 在list position位置的元素 |
| erase | 删除list position位置的元素 |
| swap | 交换两个list中的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |

2.为什么使用迭代器？

容器类使用迭代器进行访问和遍历的主要原因包括以下几点：

  1. 抽象数据结构访问接口：通过迭代器，容器类可以提供一种统一的、抽象的方法来访问和操作容器中的元素。这样，无论容器内部的数据结构是什么，用户都可以使用相同的方式来访问和操作元素，提高了代码的可复用性和可维护性。
  2. 封装容器的内部实现细节：容器的内部实现可能采用各种不同的数据结构，例如数组、链表、树等。通过迭代器，容器可以隐藏内部实现细节，只提供迭代器的接口给用户使用，从而保护容器内部数据的完整性和安全性。
  3. 支持灵活的遍历方式：迭代器提供了多种灵活的遍历方式，例如正向遍历、反向遍历、随机遍历等。这使得用户可以根据实际需求选择最适合的遍历方式，提高了代码的灵活性和效率。
  4. 方便的算法和函数库使用：许多算法和函数库都是基于迭代器的，例如STL中的算法库、boost库等。通过使用迭代器，可以方便地在容器上应用这些算法和函数，提高了开发效率和代码的重用性。

综上所述，使用迭代器可以提供一种统一的、抽象的方法来操作容器中的元素，封装容器的内部实现细节，提供灵活的遍历方式，并支持方便的算法和函数库的使用。这使得容器的访问和遍历更加方便、灵活和高效

3.list的模拟实现

3.1完整代码

cpp 复制代码 
//ReverseIterator.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

namespace bit
{
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>//Ref表示引用类型，Ptr表示指针类型
	struct ReverseIterator
	{
		typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;//重命名
		Iterator _it;//成员

		ReverseIterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}

		Ref operator*()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return *(--tmp);
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}

		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self tmp = *this;
			--_it;
			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}

		Self& operator--(int)
		{
			Self tmp = *this;
			++_it;
			return tmp;
		}

		bool operator!=(const Self& s) const
		{
			return _it != s._it;
		}
	};
}
cpp 复制代码 
//list.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#pragma once

#include <assert.h>
#include "ReverseIterator.h"

namespace bit
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _val;

		list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};

	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct __list_iterator//迭代器
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
		Node* _node;

		__list_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
		Ref operator*()
		{
			return _node->_val;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_val;
		}
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}

		bool operator!=(const self& it) const
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator==(const self& it) const
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> Node;//重命名一样受访问限制符限制，这个是给内部用的
	public:
		typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//这个是给外部用的，所以公有的
		typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		typedef ReverseIterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
		typedef ReverseIterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;

		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}

		iterator begin()
		{
			//return _head->_next;//C++单参数类型支持隐式转换
			return iterator(_head->_next);//这两种写法是一样的
		}
		iterator end()
		{
			//return _head;//C++单参数类型支持隐式转换
			//虽然两种写法都是一样的，不过这种写法能更加明确的告诉我们返回的是迭代器类型的对象
			return iterator(_head);//匿名对象
		}

		const_iterator begin() const
		{
			//return _head->_next;//C++单参数类型支持隐式转换
			return const_iterator(_head->_next);//这两种写法是一样的
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _head;
		}

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;

			_size = 0;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}

		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();

			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);

			return *this;
		}

		~list()
		{
			clear();

			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}

			_size = 0;
		}

		void push_back(const T& x)
		{
			//第一种写法
			/*Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);

			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;

			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;*/

			//第二种写 -- 复用insert函数
			insert(end(), x);
		}

		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}

		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);

			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = cur;

			cur->_prev = newnode;
			newnode->_prev = prev;

			++_size;

			return newnode;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());

			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;


			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;

			--_size;

			delete cur;

			return next;//因为迭代器失效问题所以要返回下一个迭代器
			//为什么失效？因为删除之后迭代器原来的指向失效，需要返回下一个节点作为新的迭代器
		}

		size_t size()
		{
			return _size;
		}

	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};

	struct A
	{
		A(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			, _a2(a2)
		{}

		int _a1;
		int _a2;
	};
}
cpp 复制代码 
//main.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
#include "list.h"

void Print(const bit::list<int>& lt)
{
	bit::list<int>::const_iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		//(*it)++;
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void test_list1()
{
	bit::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	//因为链表的底层不一样，所以我们需要对其iterator进行封装然后重载运算符
	bit::list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	Print(lt);
}

void test_list2()
{
	bit::list<bit::A> lt;
	lt.push_back(bit::A(1, 1));
	lt.push_back(bit::A(2, 2));
	lt.push_back(bit::A(3, 3));
	lt.push_back(bit::A(4, 4));

	bit::list<bit::A>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;

		++it;
	}
	cout << endl;
}

void test_list3()
{
	bit::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(5);
	lt.push_back(6);
	lt.push_back(7);
	lt.push_back(8);
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	lt.pop_front();
	lt.pop_back();

	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test_list4()
{
	bit::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	bit::list<int> lt1(lt);
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	bit::list<int> lt2;
	lt2.push_back(10);
	lt2.push_back(20);
	lt2.push_back(30);
	lt2.push_back(40);

	lt1 = lt2;
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test_list5()
{
	bit::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	//bit::list<int> lt1(lt);
	//for (auto e : lt1)
	//{
	//	cout << e << " ";
	//}
	//cout << endl;

	bit::list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
	while (rit != lt.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

}

void test_list6()
{
	bit::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	bit::list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		if (*it == 2)
		{
			it = lt.erase(it);
		}
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	test_list6();
	
	return 0;
}

3.2代码解析

4.list与vector的对比

vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：

|-------|---------------------------------------------------------------------|-------------------------------------------|
| | vector | list |
| 底层结构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 带头节点的双向循环链表 |
| 随机访问 | 支持随机访问，访问某个元素效率O(1) | 不支持随机访问，访问某个元素效率O(N) |
| 插入和删除 | 任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂度O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 | 任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为O(1) |
| 空间利用率 | 底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率高，缓存利用率高 | 底层节点动态开辟，小节点容易造成内存碎片，空间利用率低缓存利用率低 |
| 迭代器 | 原生态指针 | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 迭代器失效 | 在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 | 插入元素不会导致迭代器失效，删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响 |
| 使用场景 | 需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 | 需要大量插入和删除操作，不关心随机访问 |

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