【C++初阶】第12课—list

小比卡丘2025-03-30 15:43

文章目录

  • [1. list的构造](#1. list的构造)
  • [2. list迭代器的常见接口](#2. list迭代器的常见接口)
    • [2.1 list遍历的迭代器接口](#2.1 list遍历的迭代器接口)
    • [2.2 list修改数据的迭代器接口](#2.2 list修改数据的迭代器接口)
    • [2.3 list排序、逆序、合并相关操作的成员函数](#2.3 list排序、逆序、合并相关操作的成员函数)
  • [3. 模拟实现list](#3. 模拟实现list)
    • [3.1 模拟实现list的构造](#3.1 模拟实现list的构造)
    • [3.2 模拟实现list的尾插](#3.2 模拟实现list的尾插)
    • [3.3 模拟实现迭代器iterator](#3.3 模拟实现迭代器iterator)
    • [3.4 模拟实现list的插入删除](#3.4 模拟实现list的插入删除)
    • [3.5 模拟实现list的析构和clear](#3.5 模拟实现list的析构和clear)
    • [3.6 模拟实现list的深拷贝](#3.6 模拟实现list的深拷贝)
  • [4. 代码](#4. 代码)

相信学过string和vector容器后，对于list应该游刃有余了，接下来我将带大家将list的大致框架过一遍，然后来模拟实现下list。

  • 首先介绍下list，list其实就是C++实现的一个带头节点的双向链表，当然如果想了解单链表的话，也可以学习forward_list

1. list的构造

构造函数 接口说明
list(size_t n, const size_type& val) 用n个val值来构造list对象
list(Inputiterator first, Inputiterator last) 用迭代器区间构造list对象
list(const list& lt) 用list对象lt来构造list对象

2. list迭代器的常见接口

2.1 list遍历的迭代器接口

迭代器接口 说明
begin() 指向list对象中的第一个数据
end() 指向list对象最后一个数据的下个位置
rbegin() 指向反向迭代器的第一个数据
rend() 指向反向迭代器的最后一个元素的前一个位置
empty() 判断list对象是否为空
size() 返回list对象有效数据个数
front() 返回list对象的第一个数据
back() 返回list对象的最后一个数据

2.2 list修改数据的迭代器接口

迭代器接口 说明
assign() 为list容器重新分配内容，并相应修改容器容量大小
push_back() 尾插数据
emplace_back() 尾部插入数据
pop_back() 尾删数据
push_front() 头插数据
pop_front() 头删数据
emplace_front() 头部插入数据
insert() 指定位置插入数据
erase() 删除指定位置数据
swap() 交换两个list对象里面的数据和size
clear() 删除list里面的所有数据，size置为0
  • 当然assign()也可以使用迭代器进行初始化
  • 需要注意的是，C++实现的迭代器分为3种：单向迭代器、双向迭代器、随机迭代器
  • 单向迭代器只支持++不支持 - -
  • 双向迭代器支持++和 - -
  • 随机迭代器只支持++、 - - 、+ 、 -
  • 恰好list模版实现时就是双向迭代器
  • push_back()和emplace_back()的区别
  • pop_back()、pop_front()删除数据
  • 由于list模版中没有实现find函数查找，因此需要调用算法库实现的find()函数模版

2.3 list排序、逆序、合并相关操作的成员函数

迭代器接口 说明
splice 将另一个列表（或同一列表的另一个部分）的元素移动到当前列表的指定位置
remove 删除容器中等于val值的元素
reverse 将list对象的数据逆序排列
merge 合并
sort 排序(使用的归并排序)
unique 删除list中重复且相邻的数据，只保留一个
  • list里面的remove(const value_type& val)会删除list对象中所有等于val值的数据
  • reverse()逆序
  • 其实这里有个疑问需要解释下：C++算法库里面实现有sort()排序模版，为什么这里还要实现sort呢？
  • 这是因为算法库实现的sort容器是随机迭代器版本，对于链表来说不支持随机访问，只能从头遍历，因此list实现了一个sort排序的接口，主要利用归并排序可以很好的解决这个问题
  • merge接口：用来合并两个list对象，并且会将合并的list对象置size为空
  • list中merge使用时，需要注意两个list是已经排好序的，否则无法使用
  • splice接口：在给定的迭代器位置插入list对象
  • unique：删除重复且相邻数据，仅保留一个

3. 模拟实现list

3.1 模拟实现list的构造

3.2 模拟实现list的尾插

3.3 模拟实现迭代器iterator

  • list是双向链表，链表的每个节点都是单独存在的，因此链表不是连续的物理空间
  • list的每个节点都保存了指向上个节点和下个节点的指针，分别为prev、next，另外每个节点还存储了数据data
  • 由于list不是连续的物理空间，实现list时就不能使用typedef T* iterator这样的方式，因为迭代器++时找不到下个节点的位置
  • 由于迭代器指的是具有像指针一样行为的容器，那么就可以将迭代器单独封装为一个类
  • 链表的结构图
  • list除了存储一些内置类型的数据，有时还会存储自定义类型的数据
  • 而自定义类型的对象往往不支持流插入操作，这就回导致迭代器访问时出现报错
  • 解决办法1
  • 解决办法2
  • const修饰的迭代器版本
cpp 复制代码 
//const修饰的迭代器
template<class T>
struct list_const_iterator
{
	typedef list_node<T> Node;
	Node* node;

	//迭代器的构造函数
	list_const_iterator(Node* _node)
		:node(_node)
	{}

	//解引用操作符*重载
	const T& operator*()
	{
		return node->data;
	}

	//解引用操作符->重载
	const T* operator->()
	{
		return &node->data;
	}

	//++运算符重载
	list_const_iterator<T>& operator++()
	{
		node = node->next;
		return *this;
	}
	//!=运算符重载
	bool operator!=(const list_const_iterator<T>& it)
	{
		return node != it.node;
	}
	//==运算符重载
	bool operator==(const list_const_iterator<T>& it)
	{
		return node == it.node;
	}
};
  • const修饰的迭代器本身可以修改，但是指向的内容是不可以修改的
  • const迭代器使用
  • 合并普通迭代器和const修饰的迭代器，使用迭代器模版
  • 前置++(或--)和后置++(或--)的实现


前置++是先++后再使用，因此是++走向下个节点后返回自身的引用；而后置++是先使用再++，因此是先返回自身再走向下个节点，需要创建临时对象tmp来保存节点更改前的迭代器
这里需要注意的是，为了区分前后置++，默认给后置++的形参参数为int，这里int仅做区分使用。由于前置++不需要创建临时对象，因此对比之下更高效

3.4 模拟实现list的插入删除

  • insert(指定位置)插入和erase(指定位置)删除
  • 头插尾插和头删尾删

3.5 模拟实现list的析构和clear

3.6 模拟实现list的深拷贝

  • 赋值运算符重载
  • 多参数初始化构造
  • 初始化后

4. 代码

  • 头文件代码
cpp 复制代码 
#pragma once

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

namespace TT
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* prev;
		list_node<T>* next;
		T data;

		//构造初始化
		list_node(const T& x = T())
			:prev(nullptr)
			,next(nullptr)
			,data(x)
		{ }
	};

	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
		Node* node;

		//迭代器的构造函数
		list_iterator(Node* _node)
			:node(_node)
		{}

		//解引用操作符*重载
		Ref operator*()
		{
			return node->data;
		}

		//解引用操作符->重载
		Ptr operator->()
		{
			return &node->data;
		}

		//(前置)++运算符重载
		Self& operator++()
		{
			node = node->next;
			return *this;
		}

		//(后置)++运算符重载
		Self operator++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			node = node->next;
			return tmp;
		}

		//(前置)--运算符重载
		Self& operator--()
		{
			node = node->prev;
			return *this;
		}

		//(后置)--运算符重载
		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			node = node->prev;
			return tmp;
		}

		//!=运算符重载
		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return node != it.node;
		}
		//==运算符重载
		bool operator==(const Self& it)
		{
			return node == it.node;
		}
	};

	//const修饰的迭代器
	//template<class T>
	//struct list_const_iterator
	//{
	//	typedef list_node<T> Node;
	//	Node* node;

	//	//迭代器的构造函数
	//	list_const_iterator(Node* _node)
	//		:node(_node)
	//	{}

	//	//解引用操作符*重载
	//	const T& operator*()
	//	{
	//		return node->data;
	//	}

	//	//解引用操作符->重载
	//	const T* operator->()
	//	{
	//		return &node->data;
	//	}

	//	//++运算符重载
	//	list_const_iterator<T>& operator++()
	//	{
	//		node = node->next;
	//		return *this;
	//	}
	//	//!=运算符重载
	//	bool operator!=(const list_const_iterator<T>& it)
	//	{
	//		return node != it.node;
	//	}
	//	//==运算符重载
	//	bool operator==(const list_const_iterator<T>& it)
	//	{
	//		return node == it.node;
	//	}
	//};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> Node;
	public:
		typedef list_iterator<T,T&,T*> iterator;
		typedef list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

		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);
		}

		size_t size()
		{
			return _size;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		void empty_init()
		{
			head = new Node;
			head->prev = head;
			head->next = head;
			_size = 0;
		}

		//构造
		list()
		{
			empty_init();
		}

		//多参数初始化
		list(initializer_list<T> lt)
		{
			empty_init();
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		//深拷贝--->lt2(lt1)
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			for (auto e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		//swap交换
		void swap(const list<T>& lt)
		{
			std::swap(head, lt.head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

		//赋值运算符重载--->lt3 = lt1
		list<T>& operator=(const list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		//尾插
		void push_back(const T& x)
		{
			//Node* newnode = new Node(x);
			//Node* tail = head->prev;
			//newnode->prev = tail;
			//tail->next = newnode;
			//newnode->next = head;
			//head->prev = newnode;

			insert(end(), x);
		}
		//头插
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		//头删
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		//尾删
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		//pos位置插入数据
		void 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;
		}
		//erase删除指定位置节点
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			Node* cur = pos.node;
			Node* PrevNode = cur->prev;
			Node* NextNode = cur->next;

			PrevNode->next = NextNode;
			NextNode->prev = PrevNode;
			delete cur;
			--_size;
			return iterator(NextNode);
		}

		//析构
		~list()
		{
			clear();
			delete head;
			head = nullptr;
		}

		//clear清除
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
	private:
		Node* head;
		size_t _size;
	};
}
  • 后缀cpp代码
cpp 复制代码 
#include "list.h"
#include<algorithm>

struct A
{
	A(int a1 = 1, int a2 = 1)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{ }

	int _a1;
	int _a2;
};

void list_test1()
{
	TT::list<int> lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);

	TT::list<int>::iterator it = lt1.begin();
	while (it != lt1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void Print(const TT::list<A>& lt)
{
	TT::list<A>::const_iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		//it->_a1 += 1;
		cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << endl;;
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void list_test2()
{
	TT::list<A> lt1;
	lt1.push_back({ 1,1 });
	lt1.push_back({ 2,2 });
	lt1.push_back({ 3,3 });
	lt1.push_back({ 4,4 });

	TT::list<A>::iterator it1 = lt1.begin();
	while (it1 != lt1.end())
	{
		//cout << (*it1)._a1 << ":" << (*it1)._a2 << endl;
		it1->_a1 += 1;
		cout << it1->_a1 << ":" << it1->_a2 << endl;
		++it1;
	}
	cout << endl;

	Print(lt1);
}

void list_test3()
{
	TT::list<int> lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);

	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	lt1.push_back(78);
	lt1.push_back(99);
	lt1.push_front(100);
	lt1.push_front(300);
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	lt1.pop_back();
	lt1.pop_front();
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test_list4()
{
	TT::list<int> lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);

	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	TT::list<int> lt2(lt1);

	lt1.clear();
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	for (auto e : lt2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	TT::list<int> lt3 = lt2;
	for (auto e : lt3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	TT::list<int> lt4 = { 10,20,30,40 };
	for (auto e : lt4)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	//list_test1();
	//list_test2();
	//list_test3();
	test_list4();
	return 0;
}
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