C++学习第九天（list及其模拟实现）

1、list介绍

list是可以在常熟范围内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和forward_list非常相似，最主要不同的是forward_list是单链表，只能朝前迭代，以让其更简单高效。

list可以在任何位置进行插入，移除元素的效率更高

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。

2、list的使用

list中的接口比较多，一下是常见的重要接口

list的构造

|---------------------------------------------------------|-----------------------------|
| 构造函数 | 接口说明 |
| list(size_type n,const value_type& val = value_type()) | 构造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) | 用[first, last)区间中的元素构造list |

list iterator的使用

|---------------|--------------------------------------------------------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| begin + end | 返回第一个元素迭代器+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，返回最后一个元素的下一个位置的reverse_iterator，即begin位置 |

【ATT】

begin和end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
rbegin和rend为反向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向前移动

list capacity的使用

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

list element access的使用

|-------|--------------------|
| 函数声明 | 借口说明 |
| 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 |

list modifiers的使用

|------------|----------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| push_front | 在list的首元素前面插入值为val的元素 |
| pop_front | 删除list中的第一个元素 |
| 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位置插入值为val的元素 |
| erase | 删除list position位置的元素 |
| swap | 交换两个list的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |

list的迭代器失效（重点）

概念：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的底层结构是带头节点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除的时候才会失效，而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 复制代码

void test3()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	list<int>::iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		//erase()函数被执行后，it所指向的节点已经被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值
		l.erase(it);
		++it;
	}
}

//修正
void test2()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	list<int>::iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		
		it = l.erase(it);
	}
	for (auto e : l)
	{
		cout << e << " ";
	}
}

int main()
{
	test2();
	return 0;
}

3、list的模拟实现

cpp 复制代码

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>

using namespace std;

namespace bit
{
	//List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;

	public:
		typedef Ref Ref;
		typedef Ptr Ptr;
	public:

		ListIterator(Node* node = nullptr)
			:_node(node)
		{}

		//具有指针行为
		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 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;
		}


		//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
	{
		//typename的作用是明确告诉编译器,Ref是Iterator中的一个类型，而不是静态成员变量
		//否则编译器就不知道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:
		ReverseListIterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}

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

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

		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的插入和删除
		void push_back(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}

		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 bite::list<T>& l)
{
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}

	cout << endl;
}

// 测试List的构造
void TestBiteList1()
{
	bite::list<int> l1;
	bite::list<int> l2(10, 5);
	PrintList(l2);

	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	bite::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	PrintList(l3);

	bite::list<int> l4(l3);
	PrintList(l4);

	l1 = l4;
	PrintList(l1);
}

// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{
	// 测试PushBack与PopBack
	bite::list<int> l;
	l.push_back(1);
	l.push_back(2);
	l.push_back(3);
	PrintList(l);

	l.pop_back();
	l.pop_back();
	PrintList(l);

	l.pop_back();
	cout << l.size() << endl;

	// 测试PushFront与PopFront
	l.push_front(1);
	l.push_front(2);
	l.push_front(3);
	PrintList(l);

	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 };
	bite::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 };
	bite::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

	auto rit = l.rbegin();
	while (rit != l.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	const bite::list<int> cl(l);
	auto crit = l.rbegin();
	while (crit != l.rend())
	{
		cout << *crit << " ";
		++crit;
	}
	cout << endl;
}
	};
}