目录
[1.1 list的介绍](#1.1 list的介绍)
[1.2 list的使用](#1.2 list的使用)
[1.2.1 list的构造](#1.2.1 list的构造)
[1.2.2 list iterator的使用](#1.2.2 list iterator的使用)
[1.2.3 list capacity](#1.2.3 list capacity)
[1.2.4 list element access](#1.2.4 list element access)
[1.2.5 list modifiers](#1.2.5 list modifiers)
[1.2.6 list的迭代器失效](#1.2.6 list的迭代器失效)
[2.1 模拟实现list](#2.1 模拟实现list)
前言
今天我们来了解C++中STL库中的list,相当于我们之前讲过C语言数据结构中的带头双向循环链表。了解list的使用和模拟实现。
一、list
1.1 list****的介绍
- 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,已让其更简单高效。
- 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说这 可能是一个重要的因素)
list文档介绍:list文档介绍
1.2 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。
1.2.1 list的构造
构造函数( (constructor) ) | 接口说明 |
---|---|
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** |
cpp
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。
函数声明 | 接口说明 |
---|---|
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:
- 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
cpp
void test2()
{
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
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 |
1.2.4 list 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 |
1.2.5 list modifiers
函数声明 | 接口说明 |
---|---|
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 |
cpp
void test3()
{
int arr[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
print(L);
//尾插4,头插0
//删除尾部和头部节点
L.push_back(4);
L.push_front(0);
print(L);
L.pop_back();
L.pop_front();
print(L);
//insert/erase
//获取链表中的第二个元素
auto pos = ++L.begin();
//pos前插入4
L.insert(pos, 4);
//pos前插入5个元素为5的数值
L.insert(pos, 5, 3);
print(L);
//在pos前插入v.begin、v.end之间的元素
vector<int> v{ 7, 8, 9 };
L.insert(pos, v.begin(), v.end());
print(L);
//删除pos上的元素
L.erase(pos);
print(L);
//删除list中的所有元素
L.clear();
print(L);
}
list中还有一些操作,需要用到时大家可参阅list的文档说明。
1.2.6 list的迭代器失效
前面说过,此处大家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
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);
}
}
二、list****的模拟实现
2.1模拟实现list
cpp
namespace bit {
template<class T>
struct ListNode {
ListNode<T>* _prev;//前驱节点
ListNode<T>* _next;//后继节点
T _date;//数据
//节点的构造
ListNode(const T& date = T())
:_prev(nullptr)
, _next(nullptr)
,_date(date)
{}
};
/*template<class T>
struct ListConstIterator {
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListConstIterator<T> Self;
Node* _node;
ListConstIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
}
Self& operator--(int)
{
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
const T& operator*()
{
return _node->_date;
}
const T* operator->()
{
return &_node->_date;
}
bool operator!=(const Self& l)
{
return _node != l._node;
}
bool operator==(const Self& l)
{
return _node == l.node;
}
};*/
template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct reverse_iterator
{
Iterator _it;
reverse_iterator(Iterator it)
:_it(it)
{}
Iterator& operator++()
{
--_it;
return _it;
}
Iterator operator++(int)
{
Iterator temp = _it;
--_it;
return temp;
}
Iterator& operator--()
{
++_it;
return _it;
}
Iterator& operator--(int)
{
Iterator temp = _it;;
++_it;
return temp;
}
Ref operator*()
{
Iterator tmp = _it;
return *tmp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
bool operator!=(const reverse_iterator& l)
{
return _it !=l._it;
}
bool operator==(const reverse_iterator& l)
{
return _it !=l._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)
{}
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;
}
Ref operator*()
{
return _node->_date;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_date;
}
bool operator!=(const Self& l)
{
return _node != l._node;
}
bool operator==(const Self& l)
{
return _node == l.node;
}
};
template<class T>
class list {
public:
typedef ListNode<T> Node;
//写两个不同的模板
/* typedef ListIterator<T> iterator;
typedef ListConstIterator<T> const_iterator;*/
//传不同的类型
typedef ListIterator<T,T&,T*> iterator;
typedef ListIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
//反向迭代器
typedef reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(_head->_prev);
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(_head);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list()
{
empty_init();
}
list(const list<T>& l)
{
empty_init();
for (const auto& e: l)
{
push_back(e);
}
}
list(initializer_list<T> l)
{
empty_init();
for (const auto& e : l)
{
push_back(e);
}
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
swap(_head, l._head);
return *this;
}
void Clear()
{
auto it1 = begin();
while (it1 != end())
{
it1=erase(it1);
}
}
~list()
{
Clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void push_back(const T& date)
{
Node* newnode = new Node(date);
Node* tail = _head->_prev;
//newnode head tail;
_head->_prev = newnode;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
}
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& date)
{
Node* newnode = new Node(date);
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
//newnode cur prev
prev->_next = newnode;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
return iterator(newnode);
}
// 删除pos位置的节点,返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
delete[] cur;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
return iterator(next);
}
private:
Node* _head;
};
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:
| | 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 |
---|
总结
上述文章我们讲了list的使用和模拟实现,希望对你有所帮助。