C++STL~~list

TU^2024-09-01 15:41

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一、list的概念

list 是一种容器，实现了双向链表结构

它具有以下特点：

  • 动态大小，可按需增减元素数量。
  • 高效的插入和删除操作，在任意位置插入和删除元素时间复杂度为 O (1)。但随机访问元素较慢，时间复杂度为 O (n)。
  • 提供双向迭代器，方便遍历、访问和修改元素。
  • 不支持随机访问，访问特定位置的元素需要通过迭代器逐步遍历，时间复杂度为线性。
    总之，list适用于需要频繁进行插入和删除操作，而对随机访问要求不高的场景。
  • 常见操作包括元素访问（如 front ()、back ()）、插入（如 push_front ()、push_back ()、insert ()）、删除（如 pop_front ()、pop_back ()、erase ()）以及获取大小（size ()）和判断是否为空（empty ()）等。

二、list的使用

list的构造

cpp 复制代码 
// list的构造
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;
}

list iterator的使用

  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

迭代器的类型

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;
}

list capacity

list element access

list modifiers

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);
}
cpp 复制代码 
// 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);
}
cpp 复制代码 
// 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;
}

list的迭代器失效

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);
   }
}

三、list的练习

模拟实现list的迭代器

List 的迭代器

迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：

  • 原生态指针，比如：vector
  • 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
    指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator ()
    • 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
    • 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
      至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前 移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载
    • 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()
cpp 复制代码 
template<class T, class Ref, class Ptr>
	class ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

		// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到
	public:
		typedef Ref Ref;
		typedef Ptr Ptr;
	public:
		//
		// 构造
		ListIterator(Node* node = nullptr)
			: _node(node)
		{}

		//
		// 具有指针类似行为
		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 temp(*this);
			_node = _node->_next;
			return temp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return temp;
		}

		//
		// 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;
	};

注意：

  • 此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，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
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类中的一个类型，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;
	};

list的反向迭代器

通过前面知道，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;
};

四、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：

五、总结

  • 容器特点
    list是一种双向链表容器，具有以下显著特点：
    • 动态性强：可以根据需要随时添加或删除元素，无需担心预先分配固定大小的内存问题。
      插入和删除高效：在链表的任意位置进行插入和删除操作的时间复杂度为常数级别，这使得它在频繁进行此类操作的场景下表现出色。
    • 迭代灵活：提供双向迭代器，可方便地进行正向和反向遍历。但不支持随机访问，访问特定位置的元素相对较慢。
  • 适用场景
    • 频繁插入和删除：当需要在容器中频繁地进行插入和删除操作时，list是一个很好的选择。例如，在实现一些数据结构（如栈、队列）或者处理动态变化的数据集合时。
    • 顺序访问：如果主要是按照顺序访问元素，而不是随机访问，list可以满足需求。比如，依次处理一系列数据，而不需要直接跳到特定位置的元素。
  • 与其他容器对比
    与 C++ 中的其他容器（如vector、array等）相比：
    • 与vector：vector支持随机访问，但其在插入和删除元素时，可能需要移动大量元素，时间复杂度可能较高。而list在插入和删除方面更高效，但随机访问能力较弱。
    • 与array：array大小固定，不具备动态性。list则可以根据需要动态调整大小。

总之，C++ 中的list是一种功能强大的容器，在特定的场景下能够发挥出很大的优势。

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