【c++篇】：掌握list--实用的基本使用方法与模拟实现思路

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文章目录

• 前言
• 一.list的基本概念和使用
• • 基本概念
  • 基本操作使用
• 二.模拟实现list
• • 1.节点类（_list_node)模拟实现模拟实现)
  • 2.迭代器类（_list_iterator)模拟实现模拟实现)
  • • 基本框架
    • 成员函数
  • 3.链表类(list)模拟实现
  • • 基本框架
    • 默认成员函数
    • 迭代器成员函数
    • 插入成员函数
    • 删除成员函数
• 三.模拟实现完整代码
• • `list.h`文件
  • `test.cpp`文件

前言

在C++编程中，数据结构是理解和应用算法的基础。列表list作为线性数据结构的一种，它提供了有序的元素集合，支持高效的插入和删除操作。掌握list的基本使用和模拟实现，不仅有助于加深对数据结构的理解，也是提高编程能力的关键。
本文将深入探讨list的基本概念、常见操作以及模拟实现方法。我们将从list的定义开始，逐步介绍如何使用标准库中的list类，并进一步探讨如何手动模拟实现一个简单的list数据结构。通过理论与实践的结合，帮助读者更好地理解和运用listt数据结构。

一.list的基本概念和使用

在C++中，list 是一种双向链表容器，属于标准模板库（STL）的一部分。

基本概念

• 定义 ：list 是一个序列容器，它允许非连续 内存分配，并通过双向链表来管理元素。这意味着list 支持常数时间内的任意位置插入和删除操作，但随机访问元素的时间复杂度较高（因为要顺序查找）。

• 结构 ：list 由一系列节点组成，每个节点包含数据部分(_val)和指向前一个(_prev)及后一个(_next)节点的指针。这种结构使得list 在插入和删除操作时不需要移动大量数据，只需调整指针即可。

• 迭代器 ：list 提供了双向迭代器，支持向前和向后遍历元素。但需要注意的是，list 的迭代器不是随机访问迭代器 （因为内存地址不是连续的），因此不支持通过加减整数来直接访问某个位置的元素，只能（++/--)。

基本操作使用

1. 创建和初始化：

   • 使用默认构造函数创建一个空list对象：

     std::list<int> mylist;

   • 使用初始化列表创建list：

     std::list<int> mylist={1,2,3,4,5};

2. 添加元素：

   • 在末尾添加元素：

     //mylist:1,2,3,4,5
     //调用尾插函数push_back()
     mylist.push_back(6);

   • 在开头添加元素：

     //mylist:1,2,3,4,5,6
     //调用头插函数push_front()
     mylist.push_front(0);

   • 在指定位置插入元素：

     //mylist:0,1,2,3,4,5,6
     //获取begin位置的迭代器
     std::list<int>::iterator it=mylist.begin();
     //迭代器it++,指向下一个位置的迭代器
     it++;
     
     //在迭代器it位置前，也就是元素1前插入10
     //调用插入函数insert()
     it=mylist.insert(it.10);

3. 删除元素：

   • 删除指定位置的元素：

     //mylist:0,10,1,2,3,4,5,6
     //删除第二个元素10
     std::list<int>::iterator it=mylist.begin();
     it++;
     //调用删除函数erase()
     it=erase(it);

   • 删除第一个元素：

     //mylist:0,1,2,3,4,5,6
     //调用头删函数pop_front
     mylist.pop_front();

   • 删除最后一个元素：

     //mylist:1,2,3,4,5,6
     //调用尾删函数pop_back
     mylist.pop_back();

   • 清空整个list：

     //调用清空函数clear()
     mylist.clear();

4. 访问元素：

   • 由于list不是随机访问容器，因此不能通过索引直接访问元素。但可以使用迭代器遍历list来访问元素：

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

5. 大小和容量：

   • 获取list中元素的数量：

     //调用size()函数
     size_t sz=mylist.size();

   • 判断list是否为空：

     //调用empty()函数
     bool ret=mylist.empty();

   ​ 注意：list和string，vector这两个类不同的是，list的大小也就是存储的元素个数就是容量，不再区分，size和capacity

6. 排序和查找：

   • 对list进行排序：

     //list类中有自己的sort()函数,也可以使用算法库函数里面的
     mylist.sort();

   • 查找元素（返回迭代器）：

     //list类中没有find()函数，所以只能有算法库函数里面的
     //查找值为4的迭代器位置
     auto it=mylist.find(mylist.begin(),mylist.end(),4);

二.模拟实现list

上面我们了解完了如何使用list，接下来，我们将自己模拟实现一个属于自己的list，模拟实现可以帮助我们更好地了解list的底层结构，让我们更好的使用和理解list这个数据结构，而list作为一个双向循环链表，实现一个基本的list需要分别设计三个不同的类，节点类(_list_node)，用来封装节点结构；链表类(list)，用来封装链表的成员函数和链表结构；迭代器类(_list_iterator)，用来封装迭代器。

注意：list类和vector类，string类不同的是，list类需要对迭代器单独使用一个类进行封装，主要原因是因为它们的底层数据结构特性和访问方式的不同

1. list的底层数据结构：

   • list是基于链表 实现的，链表的节点在内存中的存储位置是不连续的。
   • 为了在链表中实现顺序访问 （即，通过迭代器逐一访问链表中的元素），需要设计一个迭代器类来封装链表节点的指针（可以理解为，迭代器类中的成员变量表示的是一个节点的指针），并通过运算符重载（如++、--、*等）来模拟指针的行为。
   • 迭代器类内部维护一个指向当前节点的指针，并通过这些运算符重载来移动到下一个或上一个节点，或访问当前节点的数据。

2. vector和string的底层数据结构：

   • vector和string是基于数组 实现的，它们的元素在内存中是连续存储的。
   • 由于数组元素的连续性，可以直接使用原生指针（即数组元素的地址）作为迭代器，而无需额外的封装。
   • 原生指针自然支持顺序访问（通过指针加减来访问相邻元素），因此vector和string的迭代器本质上就是原生指针。

模拟实现的整体框架：

namespace Mylist{
    template<class T>
    struct _list_node{
        //.....
    };
    
    //迭代器类封装
    template<class T,class Ref,class Ptr>
    class _list_iterator{
        //.....
    };
    
    //链表类封装
    template<class T>
    class list{
        //.....
    };
}

1.节点类（_list_node)模拟实现

• 代码实现：

  template<class T>
  struct _list_node{
      //成员变量
      _list_node<T>* _prev;
      _list_node<T>* _next;
      T _val;
      
      //构造函数
      _list_node(const T& val=T())
          :_prev(nullptr)
          ,_next(nullptr)
          ,_val(val)
          {}
  };

• 实现原理：

  • 定义三个成员变量表示一个节点的结构：指向前一个节点的指针_prev，指向后一个节点的指针_next，存储的数据_val
  • 构造函数初始化时，两个指针都设置为空指针，参数val=T()表示创建的匿名对象（在上一篇vector的模拟实现中有用到，不理解的可以看上一篇文章），自定义类型不如string类型调用对应的构造函数，内置类型也可以调用构造函数初始化。

2.迭代器类（_list_iterator)模拟实现

基本框架

• 代码实现：

  template<class T,class Ref,class Ptr>
  struct _list_iterator{
      typedef _list_node<T> node;
      typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
      
      //成员变量
      node* _node;
      
      //构造函数
      _list_iterator(node* node)
          :_node(node)
          {}
      
      //....其他成员函数
  };

• 实现原理：

  • _list_iteartor是一个模板类，模版参数有三个，这里参数T比较好理解，表示的是存储的数据类型，而后面两个比较难理解，这里先不做解释，在后面讲到相关函数时在详细解释。
  • 用typedef对两个类类型名重定义（方便实用），注意，模板类和普通的类有一点不同，普通类，类名就是类型；而模版类，类名加上模版参数才是类型。
  • 成员变量是一个节点的指针，构造函数将参数节点指针初始化为迭代器（其实本质上还是指针，因为迭代器就是一种指针类型）。

成员函数

1.operator++函数：

• 代码实现：

  //前置++
  self& operator++(){
      _node=_node->_next;
      return *this;
  }
  
  //后置++
  self operator++(int){
      self tmp(*this);
      _node=_node->_next;
      return tmp;
  }

• 实现原理：

  • 因为list的迭代器不能直接加减常数，所以只能++或--，而++又分为前置++和后置++
  • 前置++，迭代器本身需要+1，并且返回的是+1后的迭代器，直接让当前节点指针指向下一个节点即可，返回类型是self&（_list_iterator<T,Ref,Ptr>&)
  • 后置++，拷贝构造一个新的迭代器用来保存+1前的迭代器，对原本的迭代器+1，返回保存的迭代器，返回类型时self（_list_iterator<T,Ref,Ptr>)，因为保存的迭代器是一个局部变量，函数调用结束会销毁，所以不能用引用类型的返回。
  • 后置++参数中的int是用来和前置++构成函数重载，进行区分

2.operator--函数：

• 代码实现：

  //前置--
  self& operator--(){
      _node=_node->_prev;
      return *this;
  }
  
  //后置--
  self operator--(int){
      self tmp(*this);
      _node=_node->_prev;
      return tmp;
  }

• 实现原理：

  • --又分为前置--和后置--
  • 前置--，迭代器本身需要-1，并且返回的是-1后的迭代器，直接让当前节点指针指向前一个节点即可，返回类型是self&（_list_iterator<T,Ref,Ptr>&)
  • 后置--，拷贝构造一个新的迭代器用来保存-1前的迭代器，对原本的迭代器-1，返回保存的迭代器，返回类型时self（_list_iterator<T,Ref,Ptr>)，因为保存的迭代器是一个局部变量，函数调用结束会销毁，所以不能用引用类型的返回。
  • 后置--参数中的int是用来和前置--构成函数重载，进行区分

3.operator!=函数：

• 代码实现：

  bool operator!=(const selt& it){
      return _node!=it._node;
  }

• 实现原理：

  • 左参数迭代器和右参数迭代器判断是否不等，左参数迭代器是this，右参数迭代器是it
  • 直接返回两个迭代器是否是同一个节点的指针

4.operator*函数：

• 代码实现：

  T& operator*(){
      return _node->_val;
  }
  const T& operator*(){
      return _node->_val;
  }
  
  //使用模版参数合二为一
  Ref operator*(){
      return _node->_val;
  }

• 实现原理：

  • 首先迭代器是一个指向节点的指针，对其解引用*，表示获取节点中的数据域（_val)存储的数据
  • 返回节点中的数据域(_val)，返回类型是T&
  • 这里有一个注意点，如果是对const类型的迭代器解引用*，直接将返回类型写成T&就会导致const类型的无法调用该函数，写成const T&才可以调用，所以为了解决这个问题，引入了第二个模版参数Ref，用来自动替换这两个不同的类型。

5.operator->函数：

• 代码实现：

  T* operator->(){
      return &_node->_val;
  }
  const T* operator->(){
      return &_node->_val;
  }
  
  //使用模版参数合二为一
  Ptr operator->(){
      return &-node->_val;
  }

• 实现原理：

  • ->运算符重载和*不同的是，operator*，返回的是节点中存储的数据_val的地址，返回类型是T*类型
  • 和operator*一样，如果有const类型的迭代器使用->，返回类型直接写成T*会导致const类型的无法调用该函数，写成const T* 类型才可以调用，为了解决这个问题，引入了第三个模版参数Ptr，用来自动替换这两个不同的类型。

3.链表类(list)模拟实现

基本框架

• 代码实现：

template<class T>
class list{
    //节点类类型重定义，因为只在类内部使用，所以设置成私有
    typedef _list_node<T> node;
public:
    //迭代器类类型重定义
    typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
    typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
    
    //...成员函数
    
    private:
    //成员变量
    node* _head; 
    size_t _size;
};

• 实现原理：
  • 将节点类类型重定义，设置成私有，迭代器类类型重定义，设置成公有
  • 成员变量声明一个哨兵节点，声明一个大小用来记录链表的节点个数

默认成员函数

1.构造函数代码实现：

void empty_init(){
    _head=new node;
    _head->_next=_head;
    _head->_prev=_head;
    _size=0;
}
//构造函数
list(){
    empty_init();
}

• 实现原理：
  • 用一个函数将初始化的内容分开存放，这样方便拷贝构造函数直接调用
  • 定义一个哨兵节点，该节点的前节点指针和后节点指针都指向该节点，将大小初始化为0

2.拷贝构造函数代码实现：

list(const list<T>& lt){
    empty_init();
    for(auto& e:lt){
        push_back(e);
    }
}

• 实现原理：
  • 先用函数empty_init()函数初始化一个空链表，也就是被拷贝的链表
  • 用范围for循环，将被拷贝的链表中的节点数据依次插入到拷贝的链表中完成拷贝

3.赋值运算符重载：

swap(list<T>& lt){
    std::swap(_head,lt._head);
    std::swap(_size,lt._size);
}
list<T>& operator=(list<T> lt){
    swap(lt);
    return *this;
}

• 实现原理：
  • 用一个自己实现的交换函数，交换两个链表的哨兵节点和大小，就能达到赋值的效果
  • 最后将被赋值的链表返回，返回类型是链表类类型list<T>，返回要引用返回

4.析构函数：

void clear(){
    auto it=begin();
    while(it!=end()){
        it=erase(it);
    }
    _size=0;
}
~list(){
    clear();
    delete _head;
    _head=nullptr;
}

• 实现原理：
  • 用一个自己实现的清空函数，通过迭代器来依次删除链表中的每个节点，再讲大小置为0
  • 析构函数调用清空函数后，在通过delete函数，释放哨兵节点，最后置为空指针

迭代器成员函数

1.begin()函数代码实现：

//普通对象类型的迭代器
iterator begin(){
    return _head->_next;
}
//const对象类型的迭代器
const_iterator begin()const {
    return _head->_next;
}

• 实现原理：

  直接返回哨兵节点的下一个节点即可

2.end()函数代码实现：

//普通对象类型的迭代器
iterator end(){
    return _head;
}
//const对象类型的迭代器
const_iterator end()const {
    return _head;
}

• 实现原理：

  直接返回哨兵节点即可

插入成员函数

1.insert()函数代码实现：

 iterator insert(iterator pos const T& x){
     node* newnode=new node(x);
     node* cur=pos._node;
     node* prev=cut->_prev;
     
     prev->_next=newnode;
     newnode->_next=cur;
     cur->_prev=newnode;
     newnode->_prev=prev;
     _size++;
     return pos
    
 }

• 实现原理：
  • 先创建需要插入的新节点newnode，然后找pos迭代器指向的当前节点cur，再找到pos当前指向的节点的前节点prev
  • 将新节点插入到节点cur和prev中间即可

2.push_back()尾插函数代码实现：

void push_back(const T& x){
    //相当于在哨兵节点前插入
    insert(end(),x);
}

3.push_front()头插函数代码实现：

void push_front(const T& x){
    //相当于在第一个节点前插入，也就是哨兵节点的后一个节点
    insert(begin(),x);
}

删除成员函数

1.erase()删除函数代码实现：

iteraotr erase(iterator pos){
    assert(pos!=end());
    node* cur=pos._node;
    node* prev=cur->_prev;
    node* next=cur->_next;
    
    prev->_next=next;
    next->_prev=prev;
    return next;
}

• 实现原理：
  • 首先断言判断pos是否是指向哨兵节点的迭代器，因为不能将哨兵节点删除
  • 找到当前迭代器pos指向的节点，再找到前节点prev，后节点next
  • 将pos指向的节点删除，返回next指向的节点，也就是删除节点的下一个节点

2**pop_back()尾删函数代码实现:**

void pop_back(){
    //相当于删除最后一个节点，也就是哨兵节点的前一个节点
    erase(--end);
}

3.pop_front()头删函数代码实现：

void pop_front(){
    //相当于删除第一个节点，也就是哨兵节点的后一个节点
    erase(begin());
}

三.模拟实现完整代码

list.h文件

#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<assert.h>
using namespace std;

namespace Mylist
{
    //节点类封装
    template<class T>
    struct list_node
    {
        //成员变量，前节点指针，后节点指针，存储的数据val
        list_node<T>* _next;
        list_node<T>* _prev;
        T _val;

        //构造函数  创造节点
        list_node(const T& val=T())
        :_next(nullptr)
        ,_prev(nullptr)
        ,_val(val)
        {}
    };

    //迭代器类封装
    template<class T,class Ref,class Ptr>
    struct _list_iterator
    { 
        typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
        typedef list_node<T> node;
        //成员变量 一个节点的指针
        node* _node;

        //构造函数 将传入的节点指针变为迭代器
        _list_iterator(node* node)
        :_node(node)
        {}

        Ref operator*(){
            return _node->_val;
        }

        Ptr operator->(){
            return &_node->_val;
        }

        bool operator!=(const self& it){
            return _node!=it._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;
        }


    };

    //链表类封装
    template<class T>
    class list
    {
        typedef list_node<T> node;

        void empty_init(){
             _head=new node;
            _head->_next=_head;
            _head->_prev=_head;
            _size=0;
        }
    public:
        //重定义迭代器类型
        typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
        typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator; 
        iterator begin(){
            //隐式类型转换，相当于调用_list_iterator()构造函数，创建迭代器类型的对象返回
            return _head->_next;          
        }
        iterator end(){
            return _head;
        }
        const_iterator begin()const {
            return _head->_next;
        }
        const_iterator end()const {
            return _head;
        }

        
        //构造函数 创建带哨兵节点的链表
        list(){
            cout<<"list()"<<endl;
            empty_init();
        }
        //拷贝构造函数
        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);
		}
        //赋值运算符重载
        list<T>& operator=(list<T> lt){
            swap(lt);
            return *this;
        }

        void clear(){
            auto it=begin();
            while(it!=end()){
            it=erase(it);
            }
            _size=0;
        }
        //析构函数
        ~list(){
            cout<<"~list()"<<endl;
            clear();
            delete _head;
            _head=nullptr;
        }

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

            prev->_next=newnode;
            newnode->_prev=prev;
            newnode->_next=cur;
            cur->_prev=newnode;
            _size++;
            return pos;
        }
        //尾插
        void push_back(const T& x){
           /* node* newnode=new node(x);
            node*prev=_head->_prev;
            prev->_next=newnode;
            newnode->_next=_head;
            newnode->_prev=prev;
            _head->_prev=newnode;
            _size++;*/
            insert(end(),x);
        }
        //头插
        void push_front(const T& x){
            insert(begin(),x);
        }

        //删除
        iterator erase(iterator pos){
            assert(pos!=end());
            node* cur=pos._node;
            node* prev=cur->_prev;
            node* next=cur->_next;

            prev->_next=next;
            next->_prev=prev;
            _size--;
            return next;
        }
        //尾删
        void pop_back(){
            //这里end()要先减后用，所以有前置--
            erase(--end());
        }
        //头删
        void pop_front(){
            erase(begin());
        }

        size_t size()const {
            return _size;
        }

    private:
        //成员变量 哨兵节点
        node* _head;
        size_t _size;

    };

    //测试用例类
    class A{
        public:
        A(int a1=0,int a2=0)
        :_a1(a1)
        ,_a2(a2)
        {}
        int _a1;
        int _a2;
    };
}

test.cpp文件

#include"list.h"

void test1()
{
    Mylist::list<int> lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);
    lt.push_front(5);
    lt.push_front(6);
    lt.push_front(7);
    lt.push_front(8);
    cout<<lt.size()<<endl;
    Mylist::list<int>::iterator it=lt.begin();
    while(it!=lt.end()){
        cout<<*it<<" ";
        it++;
    }
    cout<<endl;
    lt.pop_back();
    lt.pop_front();
    for(auto e:lt){
        cout<<e<<" ";
    }
    cout<<endl;
    cout<<lt.size()<<endl;
    lt.clear();
    cout<<lt.size()<<endl;

}

void test2(){
    Mylist::list<int> v1;
    v1.push_back(1);
    v1.push_back(2);
    v1.push_back(3);
    v1.push_back(4);
    Mylist::list<int> v2(v1);
    Mylist::list<int> v3;
    v3=v1;
    for(auto e:v2){
        cout<<e<<" ";
    }
    cout<<endl;
    for(auto e:v3){
        cout<<e<<" ";
    }
    cout<<endl;
}

void test3(){
    Mylist::list<Mylist::A> lt;
    lt.push_back(Mylist::A(1,1));
    lt.push_back(Mylist::A(2,2));
    lt.push_back(Mylist::A(3,3));
    lt.push_back(Mylist::A(4,4));
    Mylist::list<Mylist::A>::iterator it=lt.begin();
    while(it!=lt.end()){
        cout<<it->_a1<<","<<it->_a2<<" ";
        it++;
    }
    cout<<endl;
    it=lt.begin();
    while(it!=lt.end()){
        cout<<(*it)._a1<<","<<(*it)._a2<<" ";
        it++:
    }
    cout<<endl;
}

int main()
{
    //test1();
    //test2();
    test3();
    return 0;
}

以上就是关于list的基本使用和模拟实现的讲解，如果哪里有错的话，可以在评论区指正，也欢迎大家一起讨论学习，如果对你的学习有帮助的话，点点赞关注支持一下吧！！！