一、list的介绍及使用
https://cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list
- 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。
- 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。
- 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,不支持尾插、尾删,对比双向链表的唯一优势就是每个节点少存一个指针。
- 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。
- 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、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)list的构造
cpp
// list的构造
void TestList1()
{
list<int> l1; // 构造空的l1
list<int> l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素
list<int> l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end())左闭右开的区间构造l3
list<int> l4(l3); // 用l3拷贝构造l4
// 以数组为迭代器区间构造l5
int array[] = {16, 2, 77, 29};
list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
// 列表格式初始化C++11
list<int> l6{1, 2, 3, 4, 5};
// 用迭代器方式打印l5中的元素
list<int>::iterator it = l5.begin();
while (it != l5.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// C++11范围for的方式遍历
for (auto& e : l5)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
(2)list iterator的使用
可以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。
cpp
// list迭代器的使用
void PrintList(const list<int>& l)
{
// 注意这里调用的是list的 begin() const,返回list的const_iterator对象
for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
// *it = 10; // 不能改变该值 -- 编译不通过
}
cout << endl;
}
cpp
void TestList2()
{
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 使用正向迭代器正向list中的元素
// list<int>::iterator it = l.begin(); // C++98中语法
auto it = l.begin(); // C++11之后推荐写法
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();
auto rit = l.rbegin();
while (rit != l.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
}
注意:遍历链表只能用迭代器 和范围for。
【注意】
- begin 与 end 为正向迭代器,对迭代器执行++操作,迭代器向****后移动。
- 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。
(3)list capacity
(4)list element access
(5)list modifiers
cpp
// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{
int array[] = {1, 2, 3};
list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
L.push_back(4); // 在list的尾部插入4
L.push_front(0); // 在list的头部插入0
PrintList(L);
L.pop_back(); // 删除list尾部节点
L.pop_front(); // 删除list头部节点
PrintList(L);
}
cpp
// insert /erase
void TestList4()
{
int array1[] = {1, 2, 3};
list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
auto pos = ++L.begin(); // 获取链表中第二个节点
cout << *pos << endl;
L.insert(pos, 4); // 在pos前插入值为4的元素
PrintList(L);
L.insert(pos, 5, 5); // 在pos前插入5个值为5的元素
PrintList(L);
vector<int> v{7, 8, 9};
L.insert(pos, v.begin(), v.end()); // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
PrintList(L);
L.erase(pos); // 删除pos位置上的元素
PrintList(L);
L.erase(L.begin(), L.end()); // 删除list中[begin, end)区间中的元素,即删除list中的所有元素
PrintList(L);
}
cpp
// resize/swap/clear
void TestList5()
{
// 用数组来构造list
int array1[] = {1, 2, 3};
list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
PrintList(l1);
list<int> l2;
l1.swap(l2); // 交换l1和l2中的元素
PrintList(l1);
PrintList(l2);
l2.clear(); // 将l2中的元素清空
cout << l2.size() << endl;
}
为什么 C++98 建议使用各自容器里的 swap,而不建议使用算法里的 swap?
可以看到算法里 swap 的 C++98 的实现,无论是 string、vector、list 使用它会涉及深拷贝问题,而且这里的深拷贝代价极大,需要深拷贝 3 次 ------ 当 l1 和 l2 交换,这里会把 l1 拷贝构造一份 c,然后把 l2 赋值于 l1,c 赋值于 l2,完成交换。
而如果是容器里的 swap,需要交换 l1 和 l2,只需要头指针交换即可。假设是 vector,只要把 l1 和 l2 对应的 _start、_finish、_endofstorage 交换即可。相比算法里的 C++98 里的 swap,这里可以认为没有任何代价。
(6)list的迭代器失效
先将迭代器暂时理解成类似于指针, 迭代器失效即迭代器所指向的节点无效,即该节点被删除了 。因为 list 的底层结构为带头结点的双向循环链表 ,因此在 list 中进行 插入 时是 不会 导致 list 的迭代器失效的,只有在 删除 时才 会 失效,并且 失效的只是指向被删除节点的迭代器 ,其他迭代器不会受到影响。
cpp
void TestListIterator1()
{
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
// erase()函数执行后,it所指向的节点已被删除,因此it无效,在下一次使用it时,必须先给其赋值
l.erase(it);
++it;
}
}
// 改正
void TestListIterator()
{
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
l.erase(it++); // it = l.erase(it);
}
}
⚪【补充】
容器迭代器的分类:
- 使用功能的角度可分为,(正向、反向) + const
- 容器底层结构的角度可分为,单向、双向、随机
比如单链表迭代器、哈希表迭代器就是单向,特征是能 ++,不能 --;双向链表迭代器、map 迭代器就是双向,特征是能 ++、--;string、vector、deque 迭代器就是随机迭代器,特征是能 ++、--、+、-,一般随机迭代器底层都是一个连续的空间。
二、list的模拟实现
1、模拟实现list
要模拟实现 list,必须要熟悉 list 的底层结构以及其接口的含义。
cpp
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>
namespace xyl
{
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
: _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
, _val(val)
{}
ListNode<T>* _prev;
ListNode<T>* _next;
T _val;
};
template<class T, class Ref, class Ptr>
class ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下,实现反向迭代器的时候需要用到
public:
typedef Ref Ref;
typedef Ptr Ptr;
public:
// 构造
ListIterator(Node* node = nullptr)
: _node(node)
{}
// 具有指针类似行为
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
// 迭代器支持移动
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
_node = _node->_next;
return temp;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
_node = _node->_prev;
return temp;
}
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _node != l._node;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _node != l._node;
}
Node* _node;
};
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意:这里typename的作用是明确告诉编译器,Ref是Iterator类中的一个类型,而不是静态成员变量
// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
// 具有指针类似行为
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
// 迭代器支持移动
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
--_it;
return temp;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
Iterator _it;
};
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
// 正向迭代器
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
// 反向迭代器
typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
public:
// List的构造
list()
{
CreateHead();
}
list(int n, const T& value = T())
{
CreateHead();
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(value);
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list<T>& l)
{
CreateHead();
// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换
list<T> temp(l.begin(), l.end());
this->swap(temp);
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
this->swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
// List的迭代器
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_head);
}
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
const_reverse_iterator rbegin()const
{
return const_reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend()const
{
return const_reverse_iterator(begin());
}
// List的容量相关
size_t size()const
{
Node* cur = _head->_next;
size_t count = 0;
while (cur != _head)
{
count++;
cur = cur->_next;
}
return count;
}
bool empty()const
{
return _head->_next == _head;
}
void resize(size_t newsize, const T& data = T())
{
size_t oldsize = size();
if (newsize <= oldsize)
{
// 有效元素个数减少到newsize
while (newsize < oldsize)
{
pop_back();
oldsize--;
}
}
else
{
while (oldsize < newsize)
{
push_back(data);
oldsize++;
}
}
}
// List的元素访问操作
// 注意:List不支持operator[]
T& front()
{
return _head->_next->_val;
}
const T& front()const
{
return _head->_next->_val;
}
T& back()
{
return _head->_prev->_val;
}
const T& back()const
{
return _head->_prev->_val;
}
// List的插入
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
// List的删除
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
// 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
Node* pNewNode = new Node(val);
Node* pCur = pos._node;
// 先将新节点插入
pNewNode->_prev = pCur->_prev;
pNewNode->_next = pCur;
pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
pCur->_prev = pNewNode;
return iterator(pNewNode);
}
// 删除pos位置的节点,返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
// 找到待删除的节点
Node* pDel = pos._node;
Node* pRet = pDel->_next;
// 将该节点从链表中拆下来并删除
pDel->_prev->_next = pDel->_next;
pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
delete pDel;
return iterator(pRet);
}
void clear()
{
Node* cur = _head->_next;
// 采用头删除删除
while (cur != _head)
{
_head->_next = cur->_next;
delete cur;
cur = _head->_next;
}
_head->_next = _head->_prev = _head;
}
void swap(bite::list<T>& l)
{
std::swap(_head, l._head);
}
private:
void CreateHead()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
Node* _head;
};
}
// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const xyl::list<T>& l)
{
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
// 测试List的构造
void TestBiteList1()
{
xyl::list<int> l1;
xyl::list<int> l2(10, 5);
PrintList(l2);
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
xyl::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
PrintList(l3);
xyl::list<int> l4(l3);
PrintList(l4);
l1 = l4;
PrintList(l1);
}
// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{
// 测试PushBack
xyl::list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
PrintList(l);
// 测试PopBack
l.pop_back();
l.pop_back();
PrintList(l);
l.pop_back();
cout << l.size() << endl;
// 测试PushFront
l.push_front(1);
l.push_front(2);
l.push_front(3);
PrintList(l);
// 测试PopFront
l.pop_front();
l.pop_front();
PrintList(l);
l.pop_front();
cout << l.size() << endl;
}
// 测试insert和erase
void TestBiteList3()
{
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
xyl::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
auto pos = l.begin();
l.insert(l.begin(), 0);
PrintList(l);
++pos;
l.insert(pos, 2);
PrintList(l);
l.erase(l.begin());
l.erase(pos);
PrintList(l);
// pos指向的节点已经被删除,pos迭代器失效
cout << *pos << endl;
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
it = l.erase(it);
}
cout << l.size() << endl;
}
// 测试反向迭代器
void TestBiteList4()
{
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
xyl::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
auto rit = l.rbegin();
while (rit != l.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
const xyl::list<int> cl(l);
auto crit = l.rbegin();
while (crit != l.rend())
{
cout << *crit << " ";
++crit;
}
cout << endl;
}
【List 的迭代器】
迭代器有两种实现方式,具体应根据容器底层数据结构实现:
- 原生态指针,比如:vector。
- 将原生态指针进行封装,因迭代器使用形式与指针完全相同。
因此在自定义的类中必须实现以下方法:
- 指针可以解引用 ,迭代器的类中必须重载 operator*() 。
- 指针可以通过 -> 访问其所指空间成员 ,迭代器类中必须重载 oprator->() 。
- 指针可以 ++ 向后移动 ,迭代器类中必须重载 operator++() 与 operator++(int) 。
- 至于operator--() / operator--(int) 释放需要重载,根据具体的结构来抉择,双向链表可以向前移动,所以需要重载,如果是 forward_list 就不需要重载 -- 。
- 迭代器需要进行是否相等的比较 ,因此还需要重载 operator==() 与 operator!=() 。
2、list的反向迭代器
通过前面我们可以知道,反向迭代器的 ++ 就是正向迭代器的 --,反向迭代器的 -- 就是正向迭代器的 ++,因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器,即: 反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器,对正向迭代器的接口进行包装即可。
cpp
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意:这里typename的作用是明确告诉编译器,Ref是Iterator类中的一个类型,而不是静态成员变量
// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
// 具有指针类似行为
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
// 迭代器支持移动
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
--_it;
return temp;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
Iterator _it;
};
三、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: