STL系列学习参考：
C++ STL系列__zwy的博客-CSDN博客
https://blog.csdn.net/bite_zwy/category_12838593.html
学习C++ STL的三个境界，会用，明理，能扩展，STL中的所有容器都遵循这个规律，下面我们就按照这三个境界来学习list
一、认识标准库中的list
list的参考文档：
cplusplus.com/reference/list/list/?kw=listhttps://cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list头文件为<list>
list 成员变量
list是C++标准库提供的类模板，本质上是一个双向带头循环链表.
结构如下图所示：
二、list的的常用接口
1、Construct 构造函数
<1>、list（）默认构造，构造空的list
cpp
list<int> mylist1;
list<string> mylist2;
//list中的元素类型为 vector<int>
list<vector<int>> mylist3;默认构造的list元素个数都是0.
<2>、 list (size_type n, const value_type& val)
构造的list中包含n个值为val的元素
cpp
//使用n个value构造
list<int> mylist1(10, 5);
list<string> mylist2(3,"hellolist");
//list中的元素类型为 vector<int>
// 第二个参数是vector的initializer list构造
list<vector<int>> mylist3(5,{1,2,3,4,5});其中mylist3有5个元素，每个元素是size为5的vector.
<3>、list (const list& x）（重点）
拷贝构造
cpp
//使用n个value构造
list<int> mylist1(10, 5);
list<string> mylist2(3,"hellolist");
//list中的元素类型为 vector<int>
// 第二个参数是vector的initializer list构造
list<vector<int>> mylist3(5,{1,2,3,4,5});
//拷贝构造
list<int> copy1(mylist1);
list<string> copy2(mylist2);
list<vector<int>> copy3(mylist3);拷贝构造时要注意，拷贝构造对象和被拷贝对象的实例化类型要相同，否则无法构造。
<4>、list (InputIterator first, InputIterator last)
迭代器区间构造
cpp
//迭代器区间构造
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
//利用vector的整个区间构造
list<int> listint(v.begin(), v.end());
string s("hellolist");
//使用string的部分区间构造
list<char> listchar(s.begin() + 1, s.end() - 2);
//使用vector<vector<int>> 的迭代器区间
vector<vector<int>> vv(10, { 1,3,5,7,9 });
list<vector<int>> listv(vv.begin() + 2, vv.end() - 3);使用迭代器区间构造，也需要保证类型匹配！
<5>、list的initializer list 构造
cpp
//list的initializer list 构造
list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };
list<string> list_str{ "hellolist","string","vector","list" };
//list的initializer list 构造中嵌套了vector的initializer list 构造
list<vector<int>> list_v{ {1,2,3},{3,4,5},{4,5,6} };list 同样支持C++11提出的initializer list 构造。
2、list iterator**（重点）**
此处，大家可暂时将迭代器iterator理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。
list的迭代器iterator只支持++和--等自增自减操作，不支持+和-。
<1>、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
<2>、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 reverse_iterator, 即 begin（） 位置
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
<3>、迭代器遍历
正向迭代器遍历：
cpp
list<string> list_s{ "apple","banana","orange","grape","mango","strawberry"};
list<string>::iterator it = list_s.begin();
while (it != list_s.end())
{
//迭代器支持解引用
cout << *it << endl;
++it;
}
反向迭代器遍历：
cpp
list<string> list_s{ "apple","banana","orange","grape","mango","strawberry"};
list<string>::reverse_iterator it = list_s.rbegin();
while (it != list_s.rend())
{
//迭代器支持解引用
cout << *it << endl;
++it;
}
3、Capacity 容量
<1>、empty（）
检查list是否为空，为空返回true，否则返回false
cpp
list<int> list_int;
if (list_int.empty())
cout << "list_int为空" << endl;
else
cout << "list_int不为空" << endl;
list<string> list_str{ 2,"hellolist" };
if (list_str.empty())
cout << "list_str为空" << endl;
else
cout << "list_str不为空" << endl;
<2>、size（）
返回list当前的有效节点个数
cpp
list<int> myints{ 1,2,3,4,5 };
cout << "myints size:" << myints.size() << endl;
list<char> mychars{ 'a','b','c','d','e','f' };
cout << "mychars size:" << mychars.size() << endl;
list<string> mystrs{ "apple","banana","grape","strawberry"};
cout << "mystrs size:" << mystrs.size() << endl;
4、Element access
list 元素访问
<1>、front（）
返回list的第一个节点中值的引用，如果list中的元素被const修饰，那么就返回const 引用.
cpp
list<int> myints{ 1,2,3,4,5 };
cout << "myints.front() is: " << myints.front() << endl;
myints.front() -= 10;
cout << "Now myints.front() is: " << myints.front() << endl;
<2>、back（）
返回list的最后一个节点中值的引用，如果list中的元素被const修饰，那么同样返回const 引用.
cpp
list<string> mystrs{ "string","vector","linux","windows"};
cout << "mystrs.back() is: " << mystrs.back() << endl;
mystrs.back().append("WINDOWS");
cout << "Now mystrs.back() is: " << mystrs.back() << endl;
<3>、 const_reference
返回const引用的情况
cpp
const list<int> c_list{ 1,2,3,4,5 };
//list中元素被const修饰，front和back返回const引用不能修改
//c_list.front() += 10;
//c_list.back() -= 10;
5、list modifiers 增删查改
list有关增删查改的接口很多，我们只挑重点的来讲！
<1>、push_front（）
在list首元素前插入值为val的元素，即头插
<2>、push_back（）
在list尾部插入值为val的元素，即尾插
cpp
void Test_listpush()
{
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
list<int> mylist(v.begin(), v.end());
cout << "插入前:" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
mylist.push_front(0);
mylist.push_back(6);
cout << "插入后：" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
<3>、pop_front（）
删除list中第一个元素
<4>、pop_back（）
删除list中最后一个元素
cpp
void Test_listpop()
{
list<char> mylist{ 'a','b','c','d','e' };
cout << "删除前:" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
mylist.pop_front();
mylist.pop_back();
cout << "删除后：" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
<5>、insert（）
在list position 位置前插入值为val的元素，其中position是一个迭代器
如果成功插入，则返回新插入的第一个元素的迭代器。
cpp
void Test_listinsert()
{
list<string> mylist{ "Java","C++","PHP","Python","C" };
cout << "insert前:" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//在position位置前插入val
mylist.insert(mylist.begin(), "bash");
//在position位置前 插入 n个val
mylist.insert(++mylist.begin(), 3, "C#");
//在position位置前 插入一段迭代器区间
vector<string> v{ "Go","Rust","SQL" };
mylist.insert(mylist.end(), v.begin(), v.end());
cout << "insert 后：" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
<6>、erase（）
删除list position位置的元素，其中position同样是一个迭代器。返回值是一个迭代器，指向被删除元素之后的那个元素。如果被删除的元素是list中的最后一个元素，那么返回end（）
erase的返回值非常重要，有关list的迭代器失效问题 ！！！
cpp
void Test_erase()
{
list<string> mylist{ "Java","C++","PHP","Python","C","bash","Go","Rust","SQL"};
cout << "erase前：" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//删除position位置的元素
mylist.erase(mylist.begin());
mylist.erase(--mylist.end());
//删除一段迭代器区间[firsr,last) 左闭右开
mylist.erase(++mylist.begin(), --mylist.end());
cout << "erase后：" << endl;
for (auto e : mylist)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
<7>、swap
交换两个类型相同的list中的元素
cpp
void printlist(list<int> l)
{
for (auto e : l)
{
cout << e<< " ";
}
cout << endl;
}
void Test_swap()
{
list<int> list1{ 1,3,5,7,9 };
list<int> list2{ 2,4,6,8,10 };
cout << "swap前：" << endl;
printlist(list1);
printlist(list2);
list1.swap(list2);
cout << "swap后：" << endl;
printlist(list1);
printlist(list2);
}
<8>、clear
清除list中的所有元素
cpp
void Test_clear()
{
list<string> list_str{"clear","swap","push_back","insert","erase","pop_front"};
cout << "clear前：" << endl;
for (auto e : list_str)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
list_str.clear();
cout << "clear后：" << endl;
for (auto e : list_str)
{
cout << e << "";
}
}
<9>、resize
如果n小于当前list的size，size减少到前n个元素，并删除超出的元素。
如果n大于当前容器的size，则在末尾插入所需的元素,如果指定了val，则将新元素初始化为val的，否则将其进行值初始化。
n<list当前size的情况：
cpp
void Test_resize()
{
list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };
cout << "resize前：" << endl;
for (auto e : list_int)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
list_int.resize(3);
cout << "resize前：" << endl;
for (auto e : list_int)
{
cout << e << " ";
}
}
n>list 当前size的情况：
cpp
void Test_resize()
{
list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };
cout << "resize前：" << endl;
for (auto e : list_int)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//不给value的情况 初始化默认值
list_int.resize(10);
cout << "resize前：" << endl;
for (auto e : list_int)
{
cout << e << " ";
}
}
cpp
void Test_resize()
{
list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };
cout << "resize前：" << endl;
for (auto e : list_int)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//给value，就用value初始化
list_int.resize(10,6);
cout << "resize前：" << endl;
for (auto e : list_int)
{
cout << e << " ";
}
}
<10>、emplace系列接口
list 的emplace系列接口涉及到C++11可变参数模板以及右值引用的移动语义问题，在C++11讲解中对emplace的使用及原理做了详细讲解，大家请移步至下面这篇博文：
三、list的迭代器失效问题（重点）
前面说过，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。
接下来看一个迭代器失效的例子:
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;
}
}erase函数执行后，it 指向的节点被释放，此时 it 已经失效，下面对it++就会导致错误，这就是list的迭代器失效问题！
解决办法：
之前我们说过erase会返回被删除的节点的下一个位置的迭代器，所以我们只需要在使用it前将erase的返回值重新赋值给it即可.
cpp
// 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())
{
it = l.erase(it);
}
}四、list的模拟实现
1、List_Node的实现
cpp
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
: _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
, _val(val)
{}
ListNode<T>* _prev;
ListNode<T>* _next;
T _val;
};2、iterator 和const_iterator的封装
**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
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;
};
template <class T>
struct list_const_iterator
{
typedef List_Node<T> Node;
typedef list_const_iterator<T> Self;
Node* _node;
//
list_const_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
const T& operator*()
{
return _node->_data;
}
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
const T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
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;
}
};3、 reverse_list_Iierator实现
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
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;
};4、list类模板的实现
cpp
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
// 正向迭代器
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
// 反向迭代器
typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
public:
///
// List的构造
list()
{
CreateHead();
}
list(int n, const T& value = T())
{
CreateHead();
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(value);
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list<T>& l)
{
CreateHead();
// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换
list<T> temp(l.begin(), l.end());
this->swap(temp);
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
this->swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
///
// List的迭代器
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_head);
}
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
const_reverse_iterator rbegin()const
{
return const_reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend()const
{
return const_reverse_iterator(begin());
}
///
// List的容量相关
size_t size()const
{
Node* cur = _head->_next;
size_t count = 0;
while (cur != _head)
{
count++;
cur = cur->_next;
}
return count;
}
bool empty()const
{
return _head->_next == _head;
}
void resize(size_t newsize, const T& data = T())
{
size_t oldsize = size();
if (newsize <= oldsize)
{
// 有效元素个数减少到newsize
while (newsize < oldsize)
{
pop_back();
oldsize--;
}
}
else
{
while (oldsize < newsize)
{
push_back(data);
oldsize++;
}
}
}
// List的元素访问操作
// 注意：List不支持operator[]
T& front()
{
return _head->_next->_val;
}
const T& front()const
{
return _head->_next->_val;
}
T& back()
{
return _head->_prev->_val;
}
const T& back()const
{
return _head->_prev->_val;
}
// List的插入和删除
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
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& val)
{
Node* pNewNode = new Node(val);
Node* pCur = pos._node;
// 先将新节点插入
pNewNode->_prev = pCur->_prev;
pNewNode->_next = pCur;
pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
pCur->_prev = pNewNode;
return iterator(pNewNode);
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
// 找到待删除的节点
Node* pDel = pos._node;
Node* pRet = pDel->_next;
// 将该节点从链表中拆下来并删除
pDel->_prev->_next = pDel->_next;
pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
delete pDel;
return iterator(pRet);
}
void clear()
{
Node* cur = _head->_next;
// 采用头删除删除
while (cur != _head)
{
_head->_next = cur->_next;
delete cur;
cur = _head->_next;
}
_head->_next = _head->_prev = _head;
}
void swap(bite::list<T>& l)
{
std::swap(_head, l._head);
}
private:
void CreateHead()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
Node* _head;
};五、list和vector的对比
| std:list | std::vector |
|
|---|---|---|
| 底层存储结构 | 带头结点的双向循环链表。每个元素在内存中不连续存储，通过节点中的指针指向下一个元素。 | 动态数组结构。元素在内存中是连续存储的。 |
| 随机访问 | 不支持高效的随机访问。要访问中间的元素，需要从头部（或尾部）开始遍历链表，时间复杂度为O(N)，其中N是到目标元素的距离。 | 支持高效的随机访问。可以通过下标运算符[]直接访问元素，时间复杂度为O（1）。 |
| 插入和删除元素 | 在任意位置插入和删除元素效率高。在链表中间插入或删除一个元素，只需要调整指针，时间复杂度为O(1)（不考虑查找插入位置的时间）。 | 在末尾插入元素效率高，时间复杂度一般为（当需要重新分配内存时可能会更复杂）。但是在中间或者开头插入 / 删除元素效率较低，因为需要移动插入 / 删除位置之后的所有元素，平均时间复杂度为O(N)。 |
| 内存分配 | 每次插入新元素时，只需分配新节点的内存，不需要重新分配整个容器的内存（除非内存不足）。 | 当元素数量超过当前容量时，需要重新分配一块更大的连续内存空间，并且将原有元素复制到新空间中，这个过程可能比较耗时。 |
| 迭代器失效 | 删除操作只会使指向被操作元素的迭代器失效，其他迭代器不受影响。 | 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 |
| 空间开销 | 除了存储元素本身，每个节点还需要额外的指针来维护链表结构，所以有一定的空间开销。 | 没有额外的指针开销，但是可能会因为内存对齐等原因 浪费少量空间。 |
| 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。 |
六、小结
list也是STL中很基础同时也很重要的容器，是非常重要的数据结构之一，在操作系统，日志记录等方面都有很重要的应用，值得大家深入学习。
接下来会给大家带来C++ STL中其他容器的深度讲解，创作不易，还请多多互三支持。
