【C++初阶】List使用特性及其模拟实现

Ja_小浩2024-04-27 11:35

1. list的介绍及使用

1.1 list的介绍

  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)

1.2 list的使用

1.2.1 list的构造

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

cpp 复制代码 
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;
}

1.2.2 list iterator的使用

此处，大家可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

begin + end 返回第一个元素的迭代器+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，返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator,即begin位置

注意：

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

cpp 复制代码 
// list迭代器的使用
// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for
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; 编译不通过
    }

    cout << endl;
}

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;
}

1.2.3 list capacity

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

1.2.4 list element access

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

1.2.5 list modifiers

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

cpp 复制代码 
// 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]));

    // 在list的尾部插入4，头部插入0
    L.push_back(4);
    L.push_front(0);
    PrintList(L);

    // 删除list尾部节点和头部节点
    L.pop_back();
    L.pop_front();
    PrintList(L);
}

// insert /erase 
void TestList4()
{
    int array1[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));

    // 获取链表中第二个节点
    auto pos = ++L.begin();
    cout << *pos << endl;

    // 在pos前插入值为4的元素
    L.insert(pos, 4);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入5个值为5的元素
    L.insert(pos, 5, 5);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
    vector<int> v{ 7, 8, 9 };
    L.insert(pos, v.begin(), v.end());
    PrintList(L);

    // 删除pos位置上的元素
    L.erase(pos);
    PrintList(L);

    // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
    L.erase(L.begin(), L.end());
    PrintList(L);
}

// 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);

    // 交换l1和l2中的元素
    list<int> l2;
    l1.swap(l2);
    PrintList(l1);
    PrintList(l2);

    // 将l2中的元素清空
    l2.clear();
    cout << l2.size() << endl;
}

1.2.6 list的迭代器失效 （难点）

我们已经说过可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的无效，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 复制代码 
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);
 }
}

所以实际上该迭代器在底层实现时 ，最后返回的是下一个节点的地址，所以我们每次都要给他赋值才行！！！

2. list的深度剖析及模拟实现

2.1 模拟实现list

cpp 复制代码 
#pragma once

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

		ListNode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};
	// 适配器 -- 复用
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct Reverse_iterator
	{
		typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
		Iterator _it;

		Reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}
		Ref operator*()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return *(--tmp);
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}
		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}
		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}
		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _it != s._it;
		}
	};
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

		Node* _node;

		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &(_node->_data);
		}
		//++it
		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;
		}
		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}
		bool operator==(const Self& it)
		{
			return _node == it._node;
		}
	};
	//template<class T>
	//struct ListConstIterator
	//{
	//	typedef ListNode<T> Node;
	//	typedef ListConstIterator<T> Self;

	//	Node* _node;

	//	ListConstIterator(Node* node)
	//		:_node(node)
	//	{}
	//	const T& operator*()
	//	{
	//		return _node->_data;
	//	}
	//	const T* operator->()
	//	{
	//		return &(_node->_data);
	//	}
	//	//++it
	//	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;
	//	}
	//	bool operator!=(const Self& it)
	//	{
	//		return _node != it._node;
	//	}
	//	bool operator==(const Self& it)
	//	{
	//		return _node == it._node;
	//	}
	//};
	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:

		/*typedef ListIterator<T> iterator;
		typedef ListConstIterator<T> const_iterator;*/
		
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
		typedef Reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}
		const_reverse_iterator rbegin() const
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		const_reverse_iterator rend() const
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}
		iterator begin()
		{
			return _head->_next;
		}
		iterator end()
		{
			return _head;
		}
		const_iterator begin() const
		{
			return _head->_next; 
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _head;
		}
		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}
		list()
		{
			empty_init();
		}
		list(initializer_list<T> il)
		{
			empty_init();
			for (auto& e : il)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		//lt2(lt1)
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}
		//lt1 = lt2;
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		/*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;
		}*/
		void push_back(const T& x)
		{
			insert(end(), x);
		}
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		
		void insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* newnode = new Node(val);
			Node* prev = cur->_prev;

			//prev newnode cur
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			_size++;
		}
		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 iterator(next);
		}
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
		bool empty()
		{
			return _size == 0;
		}
	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};
	void test_list1()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_back(5);
		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//*it += 10;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
		lt.push_front(10);
		lt.push_front(20);
		lt.push_front(30);

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

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

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
	struct A
	{
		int _a1;
		int _a2;

		A(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			, _a2(a2)
		{}
	};

	void test_list2()
	{
		list<A> lt;
		A aa1(1, 1);
		A aa2 = { 1, 1 };
		lt.push_back(aa1);
		lt.push_back(aa2);
		lt.push_back(A(2, 2));//匿名对象
		lt.push_back({ 3, 3 }); //单参数类型构造函数支持隐式类型转换，多参数也可以支持
		lt.push_back({ 4, 4 });

		A* ptr = &aa1;
		(*ptr)._a1;
		ptr->_a1;

		list<A>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//*it += 10;
			//cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;
			cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;//编译器帮我们省略了一个->方便我们使用
			cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;

			++it;
		}
		cout << endl;
	}
	//void PrintList(const list<int>& clt)
	//{
	//	list<int>::const_iterator it = clt.begin();//权限可以缩小，不可变大
	//	while (it != clt.end())
	//	{
	//		//*it += 10;

	//		cout << *it << " ";
	//		++it;
	//	}
	//	cout << endl;
	//}
	void PrintList(list<int>& clt)
	{
		list<int>::reverse_iterator it = clt.rbegin();//权限可以缩小，不可变大
		while (it != clt.rend())
		{
			//*it += 10;

			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
	void test_list3()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_back(5);

		PrintList(lt);

		list<int> lt1(lt);
		PrintList(lt1);
	}
}

2.2 list的反向迭代器

cpp 复制代码 
namespace bit
{
	// 适配器 -- 复用
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct Reverse_iterator
	{
		typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
		Iterator _it;

		Reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}
		Ref operator*()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return *(--tmp);
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}
		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}
		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}
		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _it != s._it;
		}
	};
	// vector和list反向迭代器实现
}

这是一个通用的反向迭代器！！！

我们可以看到其底层是怎么样来实现这样的功能的！！！

3. list与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，导致效率更低 | 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 | 原生态指针 | 对原生态指针(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 |

相关推荐
ELI_He9991 分钟前
PHP中替换某个包或某个类
开发语言·php
小林熬夜学编程6 分钟前
【Linux网络编程】第十四弹---构建功能丰富的HTTP服务器：从状态码处理到服务函数扩展
linux·运维·服务器·c语言·网络·c++·http
m0_748236119 分钟前
Calcite Web 项目常见问题解决方案
开发语言·前端·rust
倔强的石头10617 分钟前
【C++指南】类和对象（九）：内部类
开发语言·c++
Watermelo61721 分钟前
详解js柯里化原理及用法，探究柯里化在Redux Selector 的场景模拟、构建复杂的数据流管道、优化深度嵌套函数中的精妙应用
开发语言·前端·javascript·算法·数据挖掘·数据分析·ecmascript
A懿轩A1 小时前
C/C++ 数据结构与算法【数组】 数组详细解析【日常学习，考研必备】带图+详细代码
c语言·数据结构·c++·学习·考研·算法·数组
机器视觉知识推荐、就业指导2 小时前
C++设计模式：享元模式 （附文字处理系统中的字符对象案例）
c++
半盏茶香2 小时前
在21世纪的我用C语言探寻世界本质 ——编译和链接（编译环境和运行环境）
c语言·开发语言·c++·算法
Evand J2 小时前
LOS/NLOS环境建模与三维TOA定位，MATLAB仿真程序，可自定义锚点数量和轨迹点长度
开发语言·matlab
LucianaiB2 小时前
探索CSDN博客数据：使用Python爬虫技术
开发语言·爬虫·python
热门推荐
01〔AI 绘画〕Stable Diffusion 之 解决绘制多人或面部很小的人物时面部崩坏问题 篇02ARM学习（31）编译器对overlay方式的支持03玄机平台应急响应—webshell查杀04DisplayPort AltMode On Type-c协议_Ver2.0(学习笔记)05校验 GPT-4 真实性的三个经典问题：快速区分 GPT-3.5 与 GPT-4，并提供免费测试网站06Docker 夺命连环 15 问076个主流的工业3D管道设计软件08基于大语言模型（LLM）的合成数据生成、策展和评估的综述09(欧拉)openEuler系统添加网卡文件配置流程、(欧拉)openEuler系统手动配置ipv6地址流程、(欧拉)openEuler系统网络管理说明10树莓派 5 AI 套件（Hailo-8L）使用教程