010-C++之List - 技术栈

C++之List

1. list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list的文档介绍：list - C++ Reference

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。
list的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。
list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。
与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
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(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)

1.2 list的使用

下面简单介绍一些list的常用接口。

1.2.1 list常用接口

1.2.1.1 构造

构造函数	接口说明
list(size_type n, const value_type& val = value_type())	构造的list中包含n个值为val的元素
list()	构造一个空的list
list(const list& x)	拷贝构造函数
list(InputIterator first, InputIterator last)	使用迭代器区间[first, last)中的元素构造list

1.2.1.2 list iterator（迭代器）的使用

此处也可以将iterator理解为指向list中节点的指针。

可以解引用来取出对应节点中的内容。

函数声明	接口说明
begin()、end()	分别获取指向list头节点和list最后一个节点的下一个节点的迭代器
rbegin()、rend()	分别获取指向list头节点和list最后一个节点的下一个节点的反向迭代器

【注意】

对于正向迭代器，对迭代器进行++操作，迭代器后移。
对于反向迭代器，对迭代器进行++操作，迭代器前移。

1.2.1.3 list capacity

函数声明	接口说明
empty()	检测是否为空，为空返回true，否则返回false
size()	返回list中有效节点的个数

1.2.1.4 list element access

函数声明	接口说明
front	返回list的第一个节点中的值的引用
back	返回list的最后一个节点中的值的引用

1.2.1.5 list modifiers

函数声明	接口说明
push_front(const value_type& val)	在list头部插入值为val的节点
pop_front()	删除list的第一个节点
push_back(const value_type& val)	在list尾部插入值为val的节点
pop_back()	删除list的最后一个节点
insert(iterator position, const value_type& val) insert (iterator position, size_type n, const value_type& val) insert (iterator position, InputIterator first, InputIterator last)	在list的position前插入值为val的节点在list的position前插入n个值为val的节点在list的position前插入迭代器区间[first, last)的若干个节点
erase(iterator position)	删除position为止的节点
swap(list& x)	交换两个链表中的所有内容
clear()	清空list中的有效元素

1.2.2 list的迭代器失效

此处可以暂时将迭代器理解为类似于指针的东西，迭代器失效即为迭代器指向的元素失效。

在插入节点时，并不会影响list中原有节点的地址，此时原有的迭代器并不会失效。

在删除节点时，删除节点后，该节点原有的空间将被释放，此时指向该空间的迭代器失效，其他迭代器不受影响。

2. list的模拟实现

分成两个文件实现，List.h中实现List类、Node类、ListIterator类，Reverse_Iterator.h中实现Reverse_Iterator，Reverse_Iterator为模板类，不仅可以利用ListIterator实现反向的迭代器，同时也可以利用其他类的迭代器来实现反向的迭代器，所以这里将其单独分离出来，后续的数据结构也可以复用这里的代码。

2.1 List.h

cpp 复制代码

#pragma once
#include <cstdlib>
#include "Reverse_Iterator.h"

namespace my
{
	template <class T>
	class List;

	template <class T>
	struct List_node
	{
		List_node<T>* _pPrev;
		List_node<T>* _pNext;
		T _val;

		List_node(const T& val)
			:_pPrev(this)
			,_pNext(this)
			,_val(val)
		{}
	};
	
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	class ListIterator
	{
		typedef List_node<T>				Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr>	Self;

		friend class List<T>;
		friend class Reverse_Iterator<Self, Ref, Ptr>;
	public:
		ListIterator(Node* pNode)
			:_pNode(pNode)
		{}

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

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

		Self& operator++()
		{
			_pNode = _pNode->_pNext;
			return *this;
		}

		Self& operator--()
		{
			_pNode = _pNode->_pPrev;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self ret(*this);
			++(*this);
			return ret;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self ret(*this);
			--(*this);
			return ret;
		}

		bool operator==(const Self& it)
		{
			return _pNode == it._pNode;
		}

		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _pNode != it._pNode;
		}

	private:
		Node* _pNode;
	};

	template <class T>
	class List
	{
	public:
		typedef List_node<T>											Node;
		typedef ListIterator<T, T&, T*>									iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*>						const_iterator;
		typedef Reverse_Iterator<iterator, T&, T*>						reverse_iterator;
		typedef Reverse_Iterator<const_iterator, const T&, const T*>	const_reverse_iterator;
	private:
		void _init()
		{
			_head = new Node(T());
			_head->_pNext = _head;
			_head->_pPrev = _head;
			_size = 0;
		}

		iterator _insert(iterator position, const T& val)
		{
			Node* node = new Node(val);
			node->_pPrev = position._pNode->_pPrev;
			node->_pNext = position._pNode;
			node->_pPrev->_pNext = node;
			node->_pNext->_pPrev = node;
			_size++;

			return node;
		}
	public:
		List()
		{
			_init();
		}

		List(int n, const T& val = T())
		{
			_init();
			while (n--) push_back(val);
		}

		List(const List& x)
		{
			_init();
			for (auto& e : x) push_back(e);
		}

		template<class InputIterator>
		List(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			_init();
			while (first != last)
				push_back(*first++);
		}

		~List()
		{
			clear();
			delete _head;
		}

		iterator begin()
		{
			return _head->_pNext;
		}

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

		const_iterator cbegin() const
		{
			return _head->_pNext;
		}

		const_iterator cend() const
		{
			return _head;
		}

		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(_head);
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(_head->_pNext);
		}

		const_reverse_iterator crbegin() const
		{
			return const_reverse_iterator(_head);
		}

		const_reverse_iterator crend() const
		{
			return const_reverse_iterator(_head->_pNext);
		}

		bool empty() const
		{
			return _size == 0;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		T& front()
		{
			if (_size == 0) exit(1);
			return _head->_pNext->_val;
		}

		const T& front() const
		{
			if (_size == 0) exit(1);
			return _head->_pNext->_val;
		}

		T& back()
		{
			if(_size == 0) exit(1);
			return _head->_pPrev->_val;
		}

		const T& back() const
		{
			if(_size == 0) exit(1);
			return _head->_pPrev->_val;
		}

		iterator insert(iterator position, const T& val)
		{
			return _insert(position, val);
		}

		void insert(iterator position, size_t n, const T& val)
		{
			while (n--) _insert(position, val);
		}

		template<class InputIterator>
		void insert(iterator position, InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				_insert(position, *first);
				++first;
			}
		}

		void erase(iterator position)
		{
			position._pNode->_pNext->_pPrev = position._pNode->_pPrev;
			position._pNode->_pPrev->_pNext = position._pNode->_pNext;
			delete position._pNode;
			_size--;
		}

		void push_front(const T& val)
		{
			_insert(_head->_pNext, val);
		}

		void pop_front()
		{
			if (_size == 0) exit(1);
			erase(_head->_pNext);
		}

		void push_back(const T& val)
		{
			_insert(_head, val);
		}

		void pop_back()
		{
			if (_size == 0) exit(1);
			erase(_head->_pPrev);
		}

		void swap(List& x)
		{
			std::swap(_head, x._head);
			std::swap(_size, x._size);
		}

		void clear()
		{
			while (_size) pop_back();
		}
	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};
}

2.2 Reverse_Iterator.h

cpp 复制代码

#pragma once

namespace my
{
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
	class Reverse_Iterator
	{
		typedef Reverse_Iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;

	public:
		Reverse_Iterator(const Iterator& it)
			:_it(it)
		{}

		Ref operator*()
		{
			Iterator it = _it;
			--it;
			return *it;
		}

		Ptr operator->()
		{
			Iterator it = _it;
			--it;
			return &(*it);
		}

		Self& operator++()
		{
			return --_it;
		}

		Self& operator--()
		{
			return ++_it;
		}

		Self operator++(int)
		{
			return _it--;
		}

		Self operator--(int)
		{
			return _it++;
		}

		bool operator==(const Self& it)
		{
			return _it == it._it;
		}

		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _it != it._it;
		}

	private:
		Iterator _it;
	};
}