c++——list类

我是哈哈hh2024-08-19 16:48

1. list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list 是一个双向循环链表。

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 |

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

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 |

list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明

cpp 复制代码 
int main()
{
	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();


//lt.insert(lt,30):

	int k = 3;
	while (k--)
	{
		it++;
	}
	lt.insert(it, 30);

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




//it=find(lt.begin(),lt.end(),x);
//lt.erase(it):
	int x;
	cin >> x;
	it = find(lt.begin(), lt.end(),x);
	if(it != lt.end())
	{
		lt.erase(it);
	}
	for (auto e : lt) cout << e << " "; cout << endl;



//升序lt.sort()
	//sort(lt.begin(), lt.end()); list不支持算法的排序，因为sort()是需要随机访问的快排，但是list是双向循环链表，不支持随机访问
	
	lt.sort();
	for (auto e : lt) cout << e << " "; cout << endl;

//降序lt.sort(greater<int>())：
	lt.sort(greater<int>());
	for (auto e : lt) cout << e << " "; cout << endl;


//有序的去重lt.unique()：
	lt.sort();
	lt.unique();
	for (auto e : lt) cout << e << " "; cout << endl;



//转移
// lt.splice(iterator position, list& x)
// lt.splice(iterator position, list& x, iterator i)
// lt.splice( iterator position, list& x, iterator first, iterator last ):
	int a;
	cin >> a;
	it = find(lt.begin(), lt.end(), a);
	if (it != lt.end())
	{
		lt.splice(lt.begin(), lt, it);  //直接选择节点插入链表头部
	}
	for (auto e : lt) cout << e << " "; cout << endl;

	return 0;
}

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()
{ i
nt 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()
{ i
nt 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);
}
}

2. list的模拟实现

2.1 模拟实现list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。

2.2 list的反向迭代器

通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。

cpp 复制代码 
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态
成员变量
// 否则编译器编译时就不知道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:
//

// 构造
ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}
//


// 具有指针类似行为
Ref operator*(){
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
} 


Ptr operator->(){ return &(operator*());}
//
// 迭代器支持移动
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;

};

3. 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 | | |---------------------| | 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 | |
| |---------| | 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) | |

list迭代器真的很重要，不同于vector 和 string 要自己多琢磨单独实现一下：

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

namespace bit
{
	template<class T>
	class list_node
	{
	public:
		T _data;
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		list_node(const T& data = T())
			:_data(data)
			,_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
		{}
	};


	//迭代器实现
	template<class T>
	struct list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef list_iterator<T> Self;
		Node* _node;

		list_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
		

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

		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& s) const
		{
			return _node != s._node;
		}

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

	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> Node;
	public:
		typedef list_iterator<T> iterator;

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

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

		list()
		{
			_head = new Node(T());
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			_size = 0;
		}

		void insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);

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


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

			_head   tail   newnode
			//tail->_next = newnode;
			//newnode->_prev = tail;
			//newnode->_next = _head;
			//_head->_prev = newnode;
			//
			//++_size;

			insert(end(), x);
		}

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

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

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

		void erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			Node* prev = pos._node->_prev;
			Node* next = pos._node->_next;

			//prev pos next
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;

		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		bool empty() const
		{
			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);

		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}
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