C++ list详解以及模拟实现

1.list的使用

1.1list的定义

1.2list的使用

[1.3list iterator使用](#1.3list iterator使用)

[1.4list capacity](#1.4list capacity)

[1.5list element access](#1.5list element access)

1.6list增删查改

2.list迭代器失效问题

3.list的模拟实现

1.list的使用

1.1list的定义

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)

1.2list的使用

|-----------------------------------------------------------|--------------------------------|
| 构造函数 | 结构说明 |
| 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[first，last)区间中的元素构造list |

1.3list iterator使用

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

需要注意的是：

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

1.4list capacity

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

1.5list element access

|-----------|------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| 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 |

1.6list增删查改

|----------------|---------------------------------|
| 函数声明 | 接口声明 |
| 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位置中插入值为val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.list迭代器失效问题

与string和vector相似，list的迭代器也会出现失效的问题

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<list>
using namespace std;
int main()
{
		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;
		}
}

下面是正确的使用方式，每次都更正一下迭代器it指向的结点位置。

cpp 复制代码

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);
}
}

3.list的模拟实现

cpp 复制代码

#pragma once
#include<assert.h>

namespace mylist
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;

		ListNode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(x)
		{}
	};

	template<class T>
	struct __list_iterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef __list_iterator<T> self;
		Node* _node;

		__list_iterator(Node* x)
			:_node(x)
		{}

		// ++it
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		// it++
		self operator++(int)
		{
			//__list_iterator<T> tmp(*this);
			self tmp(*this);

			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

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

		self operator--(int);

		T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

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

		bool operator==(const self& s);
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
		typedef __list_iterator<T> iterator;

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

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

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

		list()
		{
			empty_init();
		}

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

		~list()
		{
			clear();

			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

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

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

		// lt1 = lt2;
		// list<T>& operator=(const list<T>& lt)
		/*list<T>& operator=(list<T>& lt)
		{
			if (this != &lt)
			{
				clear();
				for (const auto& e : lt)
				{
					push_back(e);
				}
			}
			return *this;
		}*/

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

		//list& operator=(list lt)
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

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

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

			insert(end(), x);
		}

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

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

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

		// vector insert会导致迭代器失效
		// list会不会？不会
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);

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

			//return iterator(newnode);
			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;

			delete cur;

			return next;
		}

	private:
		Node* _head;
	};

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

		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//*it += 10;

			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

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

	void test_list2()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);


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

		lt.push_back(5);
		lt.push_front(0);

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

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

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

		lt.clear();

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

		lt.push_back(10);
		lt.push_back(20);

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

	void test_list3()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);

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

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

		list<int> lt1;
		lt1.push_back(10);
		lt1.push_back(20);
		lt1.push_back(30);
		lt1.push_back(40);

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

4.list和vector的对比

|-----------|---------------------------------------------------------------------------|-----------------------------------------------|
| | vector | list |
| 底层结构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 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为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，会导致效率降低， | 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 | 原生指针 | 对原生指针(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 | 大量插入和删除操作，不关心随机访问 |