C++——list

回首o2024-06-02 7:03

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前言

一、list

[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)

二、list的模拟实现

[2.1 模拟实现list](#2.1 模拟实现list)

三、list与vector的对比

总结

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

  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 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。

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：

  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 
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 复制代码 
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 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);
         }
}

二、list****的模拟实现

2.1模拟实现list

cpp 复制代码 
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。

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