【C++】学习STL中的list

MO_lion2023-09-03 17:06

❤️前言

大家好！，今天为大家带来的一篇博客是关于STL中的list，内容主要包括list的介绍使用、list的模拟实现。以及list与vector的对比。

正文

list的介绍和使用

首先，让我们看看list的文档介绍：

  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)

官方网站list的文档介绍如下：

list - C++ Reference (cplusplus.com)https://legacy.cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list list的简单使用在我们学会了vector的使用之后只要多看看list的文档并多加使用就可以很熟悉，因此在这里就不多讲了。

需要提一提的是，由于存储在其中的元素的内存并不是连续的，list并不支持随机访问，也没有提供重载方括号。并且因此它并不适合算法库中的sort()和reverse()，于是在我们想要对list进行排序或者逆置的时候，应该使用list自带的接口，它们的名字与算法库中的一样。

除此之外，使用list时也可能遇到迭代器失效的问题，这时候我们需要重新为迭代器赋值来解决这个问题。

list的模拟实现

list的模拟实现分为三个部分，分别为：list的节点、list的迭代器、list本体。

list_node的模拟实现

首先我们模拟实现list的节点，双向链表需要节点具有前后两个指针：

cpp 复制代码 
template<typename T>
struct list_node
{
    // 我们初学类模板时常常会忘记写<T>
    // 这里需要注意，模板名带上尖括号之后才会成为类型名
	list_node<T>* _prev;
	list_node<T>* _next;
	T _val;

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

list迭代器的模拟实现

然后我们要接着模拟实现list的迭代器，这里我们有一个很重要的设计，就是设置多个模板参数，对应数据类型，数据的引用类型，数据的指针类型。

设计的思路：当我们设计迭代器类的时候，不仅要考虑普通的迭代器，还要考虑const迭代器，它并不是简单的在迭代器类声明对象前加上const关键字就可以。因为我们的const迭代器并不意味着我们不能改动这个迭代器对象本身，而是我们不能改动此迭代器所指向的数据。因此我们需要对迭代器类的一些接口的返回值类型做改动，也就是 * 号和 -> ，原因是这两个重载运算符会提供操作数据的方式。这种设计很好的减少了代码的冗余，使我们不用再另写一份const迭代器。

除此之外，迭代器实现中比较独特的一点就是->运算符的重载，我们可以看到这里的运算符重载返回值为节点值的地址，那么我们获得了节点数据的地址之后继续要访问节点值的成员，应该要再使用一次->运算符，那么在具体应用中我们就需要使用两个箭头，也就是 iterator->->member ，但是这不符合我们使用->运算符的习惯，于是编译器就为我们简化了一下，只要使用一次箭头，编译器自己会正确识别这样的写法。

cpp 复制代码 
	template<typename T, typename Ref, typename Ptr>
	struct _list_iterator
	{
		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)
		{
			_node = _node->_next;
			return _node->_prev;
		}

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

		self operator--(int)
		{
			_node = _node->_prev;
			return _node->_next;
		}

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

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

除了正向迭代器之外，我们还有一个反向迭代器，反向迭代器的使用规则与正向迭代器完全相反，如果我们直接重新定义一个反向迭代器的类模板，那么我们就需要为每一种迭代器都再写一份反向迭代器，这样代码会非常的冗余。于是这里就引出了一个新的概念------适配器模式。

由于反向迭代器的规则与迭代器完全相反，反向迭代器的许多地方其实是可以复用对应正向迭代器本身的接口。那么我们就将迭代器类型作为一个模板参数传入，然后在反向迭代器内部创建一个正向迭代器，之后就可以直接对其进行相反的操作，这样我们就得到了一个可以复用的反向迭代器模板。代码如下：

cpp 复制代码 
template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct Reverse_iterator
{
	typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> self;

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

	Ref operator*()
	{
		return *_it;
	}
		
	Ptr operator->()
	{
		return &_it->_node->_val;
	}

	self& operator++()
	{
		return --_it;
	}

	self operator++(int)
	{
		return _it--;
	}

	self& operator--()
	{
		return ++_it;
	}

	self operator--(int)
	{
		return _it++;
	}

	bool operator!=(const self& rit) const
	{
		return _it != rit._it;
	}
		
	bool operator==(const self& rit) const
	{
		return _it == rit._it;
	}

private:
	Iterator _it;
};

list本身的实现

list本身的实现非常简单，我们之前在数据结构时期已经学过了链表的相关知识，写个双向循环链表应该是不在话下。简单代码如下：

cpp 复制代码 
template<typename T>
class list
{
	typedef list_node<T> Node;
public:
	typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
	typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
	typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;

	reverse_iterator rbegin()
	{
		return (iterator)_head->_prev;
	}

	reverse_iterator rend()
	{
		return (iterator)_head;
	}

	iterator begin()
	{
		return _head->_next;
	}

	iterator end()
	{
		return _head;
	}

	const_iterator begin() const
	{
		return _head->_next;
	}

	const_iterator end() const
	{
		return _head;
	}

	list<T>()
	{
		_head = new Node;
		_head->_next = _head;
		_head->_prev = _head;
	}

	list<T>(const list<T>& lt)
	{
		_head = new Node;
		_head->_next = _head;
		_head->_prev = _head;

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

	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;
	}

    // 复用insert的代码
	void push_back(const T& x)
	{
		//Node* tail = _head->_prev;
		//Node* newnode = new Node(x);

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

		//tail->_next = newnode;
		//_head->_prev = newnode;
		//_size++;

		insert(end(), x);
	}

    // 复用erase的代码
	void pop_back()
	{
		//Node* tail = _head->_prev;
		//Node* nexttail = tail->_prev;

		//_head->_prev = nexttail;
		//nexttail->_next = _head;
		//delete tail;
		//_size--;

		erase(--end());
	}

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

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

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

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

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

		_size++;

		return newnode;
	}

	iterator erase(iterator pos)
	{
		Node* cur = pos._node;
		Node* prev = cur->_prev;
		Node* next = cur->_next;

		prev->_next = next;
		next->_prev = prev;
			
		delete cur;
		_size--;

		return next;
	}

	size_t size()
	{
		return _size;
	}

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

	~list<T>()
	{
		clear();

		delete _head;
		_head = nullptr;
	}

private:
	Node* _head;
	size_t _size = 0;
};

list和vector的对比

list和vector的底层数据结构分别是链表和数组，它们的区别也就是链表与数组的区别。它们之间的不同点如下：

  • list的迭代器不支持随机访问和加减等操作，但是vector的迭代器支持
  • list的内存空间不是连续的，而vector的内存空间是连续的
  • list在中间和开头插入删除的效率要比vector高得多
  • list的查询效率较低

总的来说，这两种容器各有优缺点，我们要根据使用场景进行灵活选择。

🍀结语

ok，那么这篇拖了许久的博客也终于是写完了，临近开学，希望大家开学快乐呀！

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