【C++ 学习 ⑬】- 详解 list 容器

melonyzzZ2023-08-18 17:06

目录

[一、list 容器的基本介绍](#一、list 容器的基本介绍)

[二、list 容器的成员函数](#二、list 容器的成员函数)

[2.1 - 迭代器](#2.1 - 迭代器)

[2.2 - 修改操作](#2.2 - 修改操作)

[三、list 的模拟实现](#三、list 的模拟实现)

[3.1 - list.h](#3.1 - list.h)

[3.2 - 详解 list 容器的迭代器](#3.2 - 详解 list 容器的迭代器)

[3.2 - test.cpp](#3.2 - test.cpp)

一、list 容器的基本介绍

list 容器以类模板 list<T>（T 为存储元素的类型）的形式定义在 <list> 头文件中，并位于 std 命名空间中。

cpp 复制代码 
template < class T, class Alloc = allocator<T> > class list;

list 是序列容器，允许在序列内的任意位置高效地插入和删除元素（时间复杂度是 O(1) 常数阶），其迭代器类型为双向迭代器（bidirectional iterator）。

list 容器的底层是以双向链表的形式实现的。

list 容器与 forward_list 容器非常相似，最主要的区别在于 forward_list 容器的底层是以单链表的形式实现的，其迭代器类型为前向迭代器（forward iterator）。

与其他标准序列容器（array、vector 和 deque）相比，list 容器在序列内已经获得迭代器的任意位置进行插入、删除元素时通常表现得更好。

与其他序列容器相比，list 容器和 forward_list 容器的最大缺点是不支持任意位置的随机访问，例如：要访问 list 中的第 6 个元素，必须从已知位置（比如头部或尾部）迭代到该位置，这需要线性阶的时间复杂度的开销。

二、list 容器的成员函数

2.1 - 迭代器

begin：

cpp 复制代码 
      iterator begin();
const_iterator begin() const;

end:

cpp 复制代码 
      iterator end();
const_iterator end() const;

rbegin：

cpp 复制代码 
      reverse_iterator rbegin();
const_reverse_iterator rbegin() const;

rend：

cpp 复制代码 
      reverse_iterator rend();
const_reverse_iterator rend() const;

示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
​
int main()
{
    list<int> l;
    l.push_back(0);
    l.push_back(1);
    l.push_back(2);
    l.push_back(3);
    l.push_back(4);
​
    for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
    {
        cout << *it << " ";
    }
    // 0 1 2 3 4
    cout << endl;
​
    for (list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin(); rit != l.rend(); ++rit)
    {
        cout << *rit << " ";
    }
    // 4 3 2 1 0
    cout << endl;
    return 0;
}

2.2 - 修改操作

push_front：

cpp 复制代码 
void push_front(const value_type& val);

注意：value_type 等价于 T。

pop_front：

cpp 复制代码 
void pop_front();

push_back：

cpp 复制代码 
void push_back(const value_type& val);

pop_back：

cpp 复制代码 
void pop_back();

insert：

cpp 复制代码 
// C++ 98
single element (1) iterator insert(iterator position, const value_type& val);
          fill (2)     void insert(iterator position, size_type n, const value_type& val);
         range (3) template <class InputIterator>
                       void insert(iterator position, InputIterator first, InputIterator last);

相较于 vector，执行 list 的 insert 操作不会产生迭代器失效的问题。

示例一：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
​
int main()
{
    list<int> l;
    l.push_back(0);
    l.push_back(1);
    l.push_back(2);
    l.push_back(3);
    l.push_back(4);
​
    // 要求：在第三个元素前面插入元素 100
    // l.insert(l.begin() + 2, 100);  // error
    // 因为 list 对应的迭代器类型为双向迭代器，所以不支持加法操作，即没有重载该运算符
​
    // 解决方案：
    list<int>::iterator it = l.begin();
    for (size_t i = 0; i < 2; ++i)
    {
        ++it;
    }
    l.insert(it, 100);
​
    for (auto e : l)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 0 1 100 2 3 4
    cout << endl;
    return 0;
}

erase：

cpp 复制代码 
iterator erase(iterator position);
iterator erase(iterator first, iterator last);

因为节点被删除后，空间释放了，所以执行完 list 的 erase 操作，迭代器就失效了，而解决方案依然是通过返回值对迭代器进行重新赋值。

示例二：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
​
int main()
{
    list<int> l;
    l.push_back(0);
    l.push_back(1);
    l.push_back(2);
    l.push_back(3);
    l.push_back(4);
​
    // 删除 list 中所有值为偶数的元素
    list<int>::iterator it = l.begin();
    while (it != l.end())
    {
        if (*it % 2 == 0)
            it = l.erase(it);  // 直接写 l.erase(it); 会报错
        else
            ++it;
    }
​
    for (auto e : l)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 1 3
    cout << endl;
    return 0;
}

三、list 的模拟实现

3.1 - list.h

cpp 复制代码 
#pragma once
​
#include <iostream>
#include <assert.h>
​
namespace yzz
{
    template<class T>
    struct __list_node
    {
        __list_node<T>* _prev;
        __list_node<T>* _next;
        T _data;
​
        __list_node(const T& val = T())
            : _prev(0), _next(0), _data(val)
        { }
    };
​
​
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    struct __list_iterator
    {
        typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
        typedef __list_node<T> list_node;
        list_node* _pnode;  // 节点指针
​
        __list_iterator(list_node* p = 0)
            : _pnode(p)
        { }
​
        self& operator++()
        {
            _pnode = _pnode->_next;
            return *this;
        }
​
        self operator++(int)
        {
            self tmp(*this);
            _pnode = _pnode->_next;
            return tmp;
        }
​
        self& operator--()
        {
            _pnode = _pnode->_prev;
            return *this;
        }
​
        self operator--(int)
        {
            self tmp(*this);
            _pnode = _pnode->_prev;
            return tmp;
        }
​
        Ref operator*() const
        {
            return _pnode->_data;
        }
​
        Ptr operator->() const
        {
            return &_pnode->_data;
        }
​
        bool operator!=(const self& it) const
        {
            return _pnode != it._pnode;
        }
​
        bool operator==(const self& it) const
        {
            return _pnode == it._pnode;
        }
    };
​
​
    template<class T>
    class list
    {
    private:
        typedef __list_node<T> list_node;
​
        void empty_initialize()
        {
            _phead = new list_node;
            _phead->_prev = _phead;
            _phead->_next = _phead;
        }
​
    public:
        /*-------- 构造函数和析构函数 --------*/
        list()
        {
            empty_initialize();
        }
​
        list(const list<T>& l)  // 实现深拷贝
        {
            empty_initialize();
            for (auto& e : l)
            {
                push_back(e);
            }
        }
​
        ~list()
        {
            clear();
            delete _phead;
            _phead = 0;
        }
​
        /*-------- 赋值运算符重载 --------*/
        // 利用上面写好的拷贝构造函数实现深拷贝
        void swap(list<T>& l)
        {
            std::swap(_phead, l._phead);
        }
​
        list<T>& operator=(list<T> tmp)
        {
            swap(tmp);
            return *this;
        }
​
        /*-------- 迭代器 --------*/
        typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
        
        iterator begin()
        {
            return _phead->_next;
            // 等价于：return iterator(_phead);
            // 返回的过程中发生了隐式类型转换
        }
​
        iterator end()
        {
            return _phead;
        }
​
        const_iterator begin() const
        {
            return _phead->_next;
            // 等价于：return const_iterator(_phead->_next);
        }
​
        const_iterator end() const
        {
            return _phead;
        }
​
        /*-------- 容量操作 --------*/
        size_t size() const
        {
            size_t sz = 0;
            list_node* cur = _phead->_next;
            while (cur != _phead)
            {
                ++sz;
                cur = cur->_next;
            }
            return sz;
        }
​
        bool empty() const
        {
            return _phead->_next == _phead;
        }
​
        /*-------- 修改操作 --------*/
        iterator insert(iterator pos, const T& val)
        {
            list_node* newnode = new list_node(val);
            newnode->_prev = pos._pnode->_prev;
            newnode->_next = pos._pnode;
​
            pos._pnode->_prev->_next = newnode;
            pos._pnode->_prev = newnode;
            return newnode;
        }
​
        void push_back(const T& val)
        {
            // 方法一：
            /*list_node* newnode = new list_node(val);
            newnode->_prev = _phead->_prev;
            newnode->_next = _phead;
​
            _phead->_prev->_next = newnode;
            _phead->_prev = newnode;*/
​
            // 方法二（直接复用）：
            insert(end(), val);
        }
​
        void push_front(const T& val)
        {
            // 方法一：
            /*list_node* newnode = new list_node(val);
            newnode->_prev = _phead;
            newnode->_next = _phead->_next;
​
            _phead->_next->_prev = newnode;
            _phead->_next = newnode;*/
​
            // 方法二（直接复用）：
            insert(begin(), val);
        }
​
        iterator erase(iterator pos)
        {
            assert(pos != end());  // 前提是 list 非空
            list_node* prev_pnode = pos._pnode->_prev;
            list_node* next_pnode = pos._pnode->_next;
            prev_pnode->_next = next_pnode;
            next_pnode->_prev = prev_pnode;
            delete pos._pnode;
            return iterator(next_pnode);
        }
​
        void pop_back()
        {
            erase(--end());
        }
​
        void pop_front()
        {
            erase(begin());
        }
​
        void clear()
        {
            list_node* cur = _phead->_next;
            while (cur != _phead)
            {
                list_node* tmp = cur;
                cur = cur->_next;
                delete tmp;
            }
            _phead->_prev = _phead->_next = _phead;
        }
​
    private:
        list_node* _phead;  // 头指针
    };
}

3.2 - 详解 list 容器的迭代器

我们可以通过循序渐进的方式来了解 list 容器的迭代器：

  1. 首先，不能使用原生态指针直接作为 list 容器的正向迭代器，即：

    cpp 复制代码 
    typedef list_node* iterator;

    否则当正向迭代器进行 ++/-- 操作时，无法让它指向下一个或上一个节点，并且进行解引用 * 操作时，无法直接获得节点的值，所以需要对原生态指针进行封装，然后对这些操作符进行重载，即：

    cpp 复制代码 
    typedef __list_iterator<T> iterator;

  2. 其次，不能按以下方式直接定义 list 容器的常量正向迭代器，即：

    cpp 复制代码 
    typedef const __list_iterator<T> const_iterator;

    否则常量正向迭代器就无法进行 ++/-- 操作，因为 const 类对象只能去调用 const 成员函数，并且 operator* 的返回值类型为 T&，即仍然可以在外部修改 list 容器。

    可以重新定义一个常量正向迭代器 __list_const_iterator，但需要修改的地方仅仅是 operatr* 的返回值，即将其修改为 const T&，显然这样的解决方案会造成代码的冗余，所以在 __list_iterator 类模板中增加一个类型参数 Ref，将 operator* 的返回值修改为 Ref，即：

    cpp 复制代码 
    typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;

  3. 最后，在重载 -> 操作符时，对于正向迭代器，返回值类型应该是 T*，对于常量正向迭代器，返回值类型应该是 const T*，所以再增加一个类型参数 Ptr，将 operator-> 的返回值类型修改为 Ptr，即：

    cpp 复制代码 
    typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

3.2 - test.cpp

cpp 复制代码 
#include "list.h"
#include <iostream>
using namespace std;
​
void Print1(const yzz::list<int>& l)
{
    yzz::list<int>::const_iterator cit = l.begin();
    while (cit != l.end())
    {
        cout << *cit << " ";
        ++cit;
    }
    cout << endl;
}
​
void test_list1()
{
    yzz::list<int> l1;
    l1.push_back(1);
    l1.push_back(2);
    l1.push_back(3);
    l1.push_back(4);
    cout << l1.size() << endl;  // 4
    yzz::list<int> l2(l1);
    for (yzz::list<int>::iterator it = l2.begin(); it != l2.end(); ++it)
    {
        cout << *it << " ";
    }
    // 1 2 3 4
    cout << endl;
​
    l1.push_front(10);
    l1.push_front(20);
    l1.push_front(30);
    l1.push_front(40);
    cout << l1.size() << endl;  // 8
    yzz::list<int> l3;
    l3 = l1;
    for (auto& e : l3)
    {
        cout << e << " ";
    }
    // 40 30 20 10 1 2 3 4
    cout << endl;
​
    l1.pop_back();
    l1.pop_back();
    l1.pop_front();
    l1.pop_front();
    cout << l1.size() << endl;  // 4
    Print1(l1);
    // 20 10 1 2
​
    l1.clear();
    cout << l1.size() << endl;  // 0
    cout << l1.empty() << endl;  // 1
}
​
struct Point
{
    int _x;
    int _y;
​
    Point(int x = 0, int y = 0)
        : _x(x), _y(y)
    { }
};
​
void Print2(const yzz::list<Point>& l)
{
    yzz::list<Point>::const_iterator cit = l.begin();
    while (cit != l.end())
    {
        // 方法一：
        // cout << "(" << (*cit)._x << ", " << (*cit)._y << ")" << " ";
        
        // 方法二：
        cout << "(" << cit->_x << ", " << cit->_y << ")" << " ";
        // 注意：operator-> 是单参数，所以本应该是 cit->->_i 和 cit->->_j，
        // 但为了可读性，编译器做了优化，即省去一个 ->
        ++cit;
    }
    cout << endl;
}
​
void test_list2()
{
    yzz::list<Point> l;
    l.push_back(Point(1, 1));
    l.push_back(Point(2, 2));
    l.push_back(Point(3, 3));
    l.push_back(Point(4, 4));
    Print2(l);
    // (1, 1) (2, 2) (3, 3) (4, 4)
}
​
int main()
{
    // test_list1();
    test_list2();
    return 0;
}
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