09.list

1. list的介绍和使用

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. 与其他序列式容器相比，list通常在任意位置插入、移除元素的效率更好。
4. 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（头和尾）一步步走到该位置；list还需要一些额外空间，以保存每个节点的相关联信息。

1.2 list的使用

1.2.1 list的构造

#include <list>

// 默认构造函数
std::list<int> defaultList;

// 通过值初始化列表
std::list<int> valueList = {1, 2, 3, 4, 5};

// 通过大小和默认值初始化列表
std::list<int> sizeValueList(3, 1); // 包含三个元素，每个元素的值都是1

// 通过范围初始化列表
int arr[] = {10, 20, 30, 40, 50};
std::list<int> rangeList(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));

// 复制构造函数
std::list<int> copyList = valueList;

// 移动构造函数（C++11及以后）
std::list<int> moveList = std::move(valueList);

1.2.2 list 访问元素

1. front()：返回对列表第一个元素的引用

std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};
int firstElement = myList.front(); // firstElement is 1

2. back()：返回对列表最后一个元素的引用

int lastElement = myList.back(); // lastElement is 5

3. operator[]：通过索引访问元素，但请注意，std::list 不像 std::vector 或 std::array 那样提供随机访问。这个操作实际上会从 begin() 开始遍历列表直到到达指定位置，因此效率较低。

int elementAtTwo = myList[2]; // elementAtTwo is 3

1.2.3 list增删查改

push_front(const T& value) ：在列表的开头添加一个新元素。

push_back(const T& value) ：在列表的末尾添加一个新元素。

pop_front() ：移除列表的第一个元素。

pop_back() ：移除列表的最后一个元素。

insert(iterator pos, const T& value) ：在指定位置插入一个新元素。

auto it = myList.begin();
advance(it, 2); // 移动到第三个元素的位置
myList.insert(it, 15); // 在第三个元素的位置插入 15

注意：头插头删，尾插尾删的效率都很高。string以后插入开始使用迭代器位置，string用的是下标。list如果想在第3个位置插入元素，不能写成：

myList.insert(myList.begin() + 3, 15); 

因为空间不是连续的。

erase(iterator pos) ：移除指定位置的元素。

auto it = myList.begin();
advance(it, 2); // 移动到第三个元素的位置
myList.erase(it); // 移除第三个元素

1.2.4 其他

比如说size()，capacity()等。

• merge()

在C++标准库中，std::merge 是一个用于合并两个已排序范围的算法。它位于 <algorithm> 头文件中，并且可以用于各种容器（如 vector, list, deque 等）。std::merge 的主要作用是将两个已排序的序列合并成一个新的已排序序列。

输入必须 是已排序的：std::merge 假设输入的两个范围已经按升序或降序排列。如果输入未排序，则结果将是未定义的。

• remove

std::remove 和 std::remove_if 是用于从序列中移除元素的算法。它们并不直接删除元素，而是将不需要的元素移动到序列的末尾，并返回一个指向新序列末尾（即最后一个未被移除的元素之后的位置）的迭代器。实际的删除操作通常需要结合容器的 erase 方法来完成。

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm> // 包含 std::remove

using namespace std;

void test_remove()
{
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 3, 6};
    list<int> l(array, array + 7);

    cout << "Original list: ";
    for (const auto& elem : l)
    {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;

    // 使用 std::remove 将值为 3 的元素移到末尾
    l.erase(std::remove(l.begin(), l.end(), 3), l.end());

    cout << "List after removing 3: ";
    for (const auto& elem : l)
    {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
    test2();
    test_remove();
    return 0;
}

使用 std::remove 将所有 3 移动到列表末尾，并返回新的末尾迭代器 new_end。

使用 erase 删除从 new_end 到列表末尾的所有元素，即删除所有 3。

这样，只需调用一次 erase 就能删除所有 3。

1.2.5 迭代器失效

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l ist的迭代器失效的，只有在被删除时才会失效，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。

#include <iostream>
#include <list>

void test()
{
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::list<int> l(array, array + 5);

    auto it = l.begin();
    while (it != l.end())
    {
        std::cout << "Deleting element: " << *it << std::endl;
        auto next_it = l.erase(it);  // erase 返回下一个有效的迭代器
        std::cout << "Iterator after erase: " << (next_it == l.end() ? "end" : std::to_string(*next_it)) << std::endl;
        it = next_it;
    }

    std::cout << "List after deletion: ";
    for (const auto& elem : l)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main()
{
    test();
    return 0;
}

Deleting element: 1
Iterator after erase: 2
Deleting element: 2
Iterator after erase: 3
Deleting element: 3
Iterator after erase: 4
Deleting element: 4
Iterator after erase: 5
Deleting element: 5
Iterator after erase: end
List after deletion:

通过上述代码和控制流图，可以清晰地验证删除时失效的只是被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

void test()
{
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    list<int> l(array, array + 5);

    auto it = l.begin();
    while (it != l.end())
    {
        l.erase(it);  
        ++it；
    }
}

erase函数执行后，it所指向的节点已经被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值。

void test()
{
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    list<int> l(array, array + 5);

    auto it = l.begin();
    while (it != l.end())
    {
        it = l.erase(it);  // erase 返回下一个有效的迭代器
    }
}

1.3 迭代器的分类

迭代器按性质分类，由容器底层结构决定。

• 前向迭代器（Forward Iterator）

可以读取和写入数据，支持多次遍历，但只能单向前进。

支持的操作：输入迭代器和输出迭代器的所有操作，以及多次遍历。

• 双向迭代器（Bidirectional Iterator）

在前向迭代器的基础上增加了反向遍历的能力。

支持的操作：前向迭代器的所有操作，以及--（前缀和后缀）。

• 随机访问迭代器（Random Access Iterator）

支持任意位置的访问，可以进行算术运算（如+, -），并且可以比较大小。

支持的操作：双向迭代器的所有操作，以及[]，+, -，<, >, <=, >=。

按功能从弱到强排列如下：

1. 输入迭代器（Input Iterator）
2. 输出迭代器（Output Iterator）
3. 前向迭代器（Forward Iterator）
4. 双向迭代器（Bidirectional Iterator）
5. 随机访问迭代器（Random Access Iterator）

比如说 sort 函数使用的就是随机迭代器，我们这节讲的 list 就不能调用它，因为list使用的是双向迭代器。

在C++标准库中，不同容器 支持不同类型的迭代器：

1. std::list：使用双向迭代器，支持前向和后向遍历。
2. std::vector 和 std::deque、std::string：使用随机访问迭代器，支持任意位置的访问和高效的算术运算。
3. std::forward_list：使用前向迭代器，仅支持单向遍历。
4. std::set, std::map, std::multiset, std::multimap：使用双向迭代器。
5. std::unordered_set, std::unordered_map, std::unordered_multiset, std::unordered_multimap：使用前向迭代器。

层级低的容器不能访问层级高的函数。层级高的容器可以访问层级低的函数。比如：vector和string就可以调用reverse（双向）。

具体的函数属于什么层级可以在文档中查找。

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2. list的模拟实现

2.1 初步实现

namespace zzy
{
    template<class T>
    struct list_node//为什么这里写它？
    {
        list_node<T>* _next;
        list_node<T>* _prev;
        T _val;

        explicit list_node(const T& val = T())
            :_next(nullptr)
            ,_prev(nullptr)
            ,_val(val)
        {}
    };
    
    template<class T>
    class list
    {
        typedef list_node<T> Node;
    public:
        list()
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
            _size = 0;
        }

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

            tail->_next = newnode;
            newnode->_prev = tail;
            
            newnode->_next = _head;
            _head->_prev = newnode;
        }
    private:
        Node* _head;
        size_t _size;
    };
}

• list_node，为什么这里写它？后面再 typedef 成 Node：

因为在zzy的命名空间下，别的容器的结点也要用 Node 这个名字，如果这里列表的结点写成了Node，别的容器使用时会有命名冲突。所以在后面的list类中再typedef成Node，便于区分的同时也更方便。

2.2 list迭代器

在namespace中还要加上list迭代器：

    template<class T>
    struct _list_iterator
    {
        typedef list_node<T> Node;
        Node* _node;

        explicit _list_iterator(Node* node)
            :_node(node)
        {}

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

        _list_iterator<T>& operator++()
        {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

        bool operator!=(const _list_iterator<T>& it) const
        {
            return _node != it._node;
        }
    };

这段C++代码定义了一个模板类 _list_iterator，用于实现双向链表的迭代器。主要功能如下：

1. 构造函数：初始化迭代器，指向给定的节点。
2. 解引用操作符 operator*：返回当前节点存储的值。
3. 前缀自增操作符 operator++：将迭代器移动到下一个节点，并返回自身。
4. 不等比较操作符 operator!=：比较两个迭代器是否指向不同的节点。

• 为什么 const _list_iterator<T>& it 要写const

不加const会报错，因为end() 函数通常返回一个表示链表末尾的迭代器，这个迭代器是一个临时对象（具有常性）。如果你不使用 const 修饰符，编译器将不允许你将这个临时对象绑定到非 const 引用上。

与此同时，list类中public更新为：

    public:
        typedef _list_iterator<T> iterator;
        iterator begin()
        {
            return iterator(_head->_next);
        }
        iterator end()
        {
            return iterator(_head);
        }

2.3 const迭代器

我们期望的是指向的内容 不能修改，不是指针本身不能修改，指针本身还得++才能遍历列表。

T& operator*() const

上面这种是允许修改返回值的，很少用。

 const T& operator*()

这个是以const T& 返回，返回值类型是 const T&，返回值不能修改。

如果我们只是复制一下普通迭代器的实现，只是修改成上面这种*重载，其余都不变，未免太过冗余，于是我们想到了可以在模板中增加参数，一种只用来控制返回类型不同的参数

public:
        typedef _list_iterator<T, T&> iterator;
        typedef _list_iterator<T, const T&> const_iterator;

    template<class T, class Ref>
    struct _list_iterator
    {
        typedef list_node<T> Node;
        typedef _list_iterator<T, Ref> self;
        Node* _node;

        explicit _list_iterator(Node* node)
            :_node(node)
        {}

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

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

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

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

Ref 是 _list_iterator 模板类的第二个模板参数。

Ref 的作用：

Ref 用于定义解引用操作符 operator*() 返回的类型。具体来说：

• 如果 Ref 是 T&（即 T 的引用），那么 operator*() 将返回当前节点存储的值的引用。
• 如果 Ref 是 T（即 T 的值），那么 operator*() 将返回当前节点存储的值的副本。

通过这种方式，_list_iterator 可以支持不同类型的迭代器，例如：

• 普通迭代器：返回引用 (T&)，允许修改元素。
• 常量迭代器：返回常量引用 (const T&)，不允许修改元素。

void test_list()
{
    list<A> lt;
    lt.push_back(A(1));
    lt.push_back(A(2));
    lt.push_back(A(3));

    list<A>::iterator it = lt.begin();
    while (it != lt.end())
    {
        cout << (*it)._a << endl;
        cout << it->_val._a << endl;
        ++it;
    }
    cout << endl;
}

C语言中的scanf和printf可以针对内置类型，但是自定义类型打印仍需要流插入重载。

由于普通和const迭代器各需要一个不同的返回类型的-> 的重载：

    template<class T, class Ref = T&, class Ptr>
    struct _list_iterator
    {
        typedef list_node<T> Node;
        typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
        Node* _node;
        
        ...

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

public:
        typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

2.4 其他成员函数

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

            prev->_next = newnode;
            newnode->_next = cur;

            cur->_prev = newnode;
            newnode->_prev = prev;
            ++size;
            return newnode;
        }

        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;
            
            delete cur;
            --size;
            return next;
        }

        void clear()
        {
            iterator it = begin();
            while (it != end())
            {
                it = erase(it);
            }
            _size = 0;
        }

        size_t size() const
        {
            return _size;
        }

        ~list()
        {
            clear();
            delete _head;
            _head = nullptr;
        }

        list(const list<T>& lt)
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;

            _size = 0;

            for(auto& e : lt)
            {
                push_back(e);
            }
        }

        void swap(list<T>& lt)
        {
            std::swap(_head, lt._head);
            std::swap(_size, lt._size);
        }

        list<T>& operator=(const list<T>& lt)
        {
            swap(lt);

            return *this;
        }

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3. list与vector的对比

|-------|----------------------------|------------------------------|
| | 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，访问效率为O(1) | 不支持，访问某个效率为O(N) |
| 插入删除 | 任意位置插删效率低 | 效率高，不需要搬移元素，O(1) |
| 空间利用率 | 不易造成内存碎片，空间利用率高 | 小结点易造成内存碎片 |
| 迭代器 | 原生指针 | 对指针进行封装 |
| 迭代器失效 | 插入可能导致扩容，导致失效 删除时需重新赋值否则失效 | 插入时不会导致迭代器失效 删除时，只会导致当前迭代器失效 |
| 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 | 大量删除和插入操作 不关心随机访问 |

3.1 容器与迭代器

如果我们想在3前面插入一个值，但是我们发现list和vector都没有提供find，该怎么考虑呢？

首先我们应该意识到：C++通过迭代器将容器与算法连接起来了。迭代器提供了统一的方法访问容器，却不需要关注容器的底层实现。

在vector中，begin指向第一个元素，end指向最后一个数据的下一个位置。在list中，由于list是带头双向循环链表，begin指向的是第一个数据（头节点的下一个节点），而end则指向头结点。在list中，不能用 it < c.end()，在遍历 std::list 时，应该使用 != 来比较迭代器是否到达容器的末尾，因为在list中地址大小关系是不一定的。

在 C++ 标准库中， std::list 和 std::vector 都没有直接提供 find 成员函数。原因在于：

• 通用算法与容器分离：C++ 标准库采用了一种设计哲学，将算法与容器分离。算法被设计为独立于容器的函数，这样可以提高算法的复用性。例如， std::find 是一个通用算法，可以应用于任何支持迭代器的容器，包括 std::list、std::vector、std::array 等。
• 避免重复：如果每个容器都提供自己的 find 方法，那么就会有很多重复的代码。通过将算法作为独立的函数，可以避免这种重复，同时保持代码的简洁性和一致性。

3.2 排序效率

在C++中，选择合适的容器对于程序的性能和效率至关重要。std::list 和 std::vector 是两种常用的容器，但它们在不同操作上的表现差异很大。以下是为什么在需要排序时，std::list 不如 std::vector 合适的原因：

1. 排序算法的实现

• std::vector：

std::vector 支持随机访问迭代器，这意味着可以高效地进行索引访问和算术运算。标准库中的排序算法（如 std::sort）依赖于随机访问迭代器来实现高效的排序算法（通常是快速排序或归并排序），这些算法的时间复杂度为 O(n log n)。

• std::list：

std::list 只支持双向迭代器，不支持随机访问迭代器。

因此，标准库中的 std::sort 不能直接用于 std::list。虽然 std::list 提供了 std::list::sort 成员函数，但它的时间复杂度通常较高（O(n log n)，但在某些情况下可能更差），并且由于 std::list 的链表结构，元素之间的比较和交换操作也较为低效。

2. 内存布局与缓存友好性

• std::vector：

std::vector 是连续内存分配的，这使得它在现代CPU上具有更好的缓存局部性，从而提高了访问速度。

连续内存布局也有助于减少页面错误和提高内存带宽利用率。

• std::list：

std::list 是由节点组成的链表，每个节点都可能分散在不同的内存位置。

这种非连续的内存布局导致较差的缓存局部性，增加了内存访问的延迟。

4. 实际应用场景

• std::vector：

如果你需要对大量数据进行排序，并且不需要频繁的插入和删除操作，std::vector 是更好的选择。

它提供了更好的性能和更高的代码可读性。

• std::list：

如果你需要频繁地在列表中间插入和删除元素，并且不需要高效的排序操作，std::list 可能更适合。

但在需要排序的情况下，std::list 的性能劣势明显。

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