文章目录
- 前言
- 一、list的介绍及使用
- 1.1 list的介绍
- 1.2 list的使用
- 1.2.1 list的构造
- 1.2.2 list iterator的使用
- 1.2.3 list capacity
- 1.2.4 list element access
- 1.2.5 list modifiers
- 1.2.6 list operations
- 1.2.7 list的迭代器失效
- 二、list的模拟实现
- 2.1 定义一个结构体实现list的节点
- 2.2 list的成员变量
- 2.3 list迭代器的封装实现
- 2.3.1 普通迭代器
- 2.3.2 const迭代器
- 2.4 list成员函数
- 2.4.1 构造函数
- 2.4.2 拷贝构造函数
- 2.4.3 赋值运算符重载
- 2.4.4 迭代器相关
- 2.4.5 insert
- 2.4.6 erase
- 2.4.7 push_back()
- 2.4.8 push_front()
- 2.4.9 pop_back()
- 2.4.10 pop_front()
- 2.4.11 size()
- 2.4.12 clear()
- 2.4.13 析构函数
- 三、list与vector的对比
前言
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🔑本章内容：list
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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考
一、list的介绍及使用
list的文档介绍
1.1 list的介绍
- 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
list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展
的能力。以下为list中一些常见的重要接口
1.2.1 list的构造
| 构造函数（ (constructor)） | 接口说明 |
|---|---|
| list() | 构造空的list |
| 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 (InputIterator first, InputIterator last) | 用[first, last)区间中的元素构造list |
| list (const list& x) | 拷贝构造函数 |
void test_list1()
{
list<int> l1;//构造空的list
list<int>l2(6, 6);//构造的list中包含n个值为val的元素
list<int>l3(l2.begin(), l2.end());//用[first, last)区间中的元素构造list
list<int>l4(l3);//拷贝构造函数
list<int>::iterator it = l2.begin();
while (it != l2.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
for (auto e : l3)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
for (auto e : l4)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
1.2.2 list iterator的使用
此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| 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 |
| 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的reverse_iterator,即begin位置 |
void test_list2()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
// 使用正向迭代器遍历打印lt中的元素
// list<int>::iterator it = l.begin(); //两种写法都对
auto it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// 使用反向迭代器遍历打印lt中的元素
// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();
auto rit = lt.rbegin();
while (rit != lt.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
}
【注意】
- 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
- 遍历链表只能使用迭代器和范围 for。
1.2.3 list capacity
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| empty | 检测list是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回list中有效节点的个数 |
1.2.4 list element access
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| front | 返回list的第一个节点中值的引用 |
| back | 返回list的最后一个节点中值的引用 |
1.2.5 list modifiers
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| push_front | 在list首元素前插入值为val的元素 |
| pop_front | 删除list中第一个元素 |
| push_back | 在list尾部插入值为val的元素 |
| pop_back | 删除list中最后一个元素 |
| insert | 在list position 位置中插入值为val的元素 |
| erase | 删除list position位置的元素 |
| swap | 交换两个list中的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |
1.2.6 list operations
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| splice | 实现list拼接的功能，将源list的内容部分或全部元素删除，拼插入到目的list。 |
| remove | 删除特定值节点 |
| unique | 对链表中的元素去重，要求必须有序 |
| merge | 对两个有序的链表进行归并，得到一个有序的链表 |
| sort | 对链表中的元素进行排序 |
| reverse | 逆置 |
注意：链表排序只能使用 list 自身的 sort() 接口（其底层是利用归并排序原理），不能使用算法库的 sort，因为算法库中的 sort 底层是通过快排来实现的，快排涉及到三数取中，需要迭代器 - 迭代器，链表不能很好的支持。
void test_list3()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
lt.reverse();链表逆置可以使用 list 自身的接口，也可以使用算法库中的 reverse
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//sort(lt.begin(), lt.end());
lt.sort();//默认升序< less
//降序> greater
//greater<int> gt;lt.sort(gt);
lt.sort(greater<int>());
//上面的两种写法都可以
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
unique --- 去重（一定要记得有序）
void test_list4()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(3);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(3);
lt.push_back(2);
lt.push_back(5);
lt.push_back(5);
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
lt.unique();
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
虽然链表提供了排序接口，但是用链表对数据排序意义不大（当数据比较大时），效率太低了，更希望用 vector 来对数据进行排序 — 如下（具体可以通过对两者进行效率比对），但是数据较小时sort还是很有用的
//将li中的数据拷贝到vector
vector<int> v(lt.begin(),lt.end());
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//排序
sort(v.begin(), v.end());
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//拷贝回lt
lt.assign(v.begin(), v.end());
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
//对两者进行效率比对
void TestSort()
{
srand(time(0));
const int N = 5000000;
vector<int> v;
list<int> lt;
v.reserve(N);//提前开好空间
for (int i = 0; i < N; i++)
{
auto e = rand();
v.push_back(e);
lt.push_back(e);
}
比较vector 和 list 的排序
int begin1 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
lt.sort();
int end2 = clock();
printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}
迭代器的这种分类方式，是由容器的底层结构来决定的
| 迭代器类型（性质上分类） | 功能 及 示例 |
|---|---|
| 单向（InputIterator） | 支持 ++ （单链表、哈希表） |
| 双向（BidirectionalItreator） | 支持 ++/- - （双向链表、红黑树（map和set）） |
| 随机（RandomAccessIterator） | 支持 ++ / - - / + / - （vector、string、deque） |
可以看到算法库里面的sort：迭代器类型是随机（RandomAccessIterator）类型的所以不可以用算法库中的sort，以list中的reverse为例：迭代器是双向（BidirectionalItreator）类型的。
1.2.7 list的迭代器失效
list中insert 插入元素并不会导致迭代器失效， vector 中的 insert插入元素导致迭代器失效是因为，vector 中的 insert 会去扩容挪动数据，而 list 中的 insert 不会进行扩容挪动数据
前面说过，此处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
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;
}
}
——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
// 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())
{
l.erase(it++); // it = l.erase(it);
}
}
二、list的模拟实现
2.1 定义一个结构体实现list的节点
template<class T>
struct list_node//struct默认是公有的不受访问限定符限制
{
T _data;
list_node<T>*_next;
list_node<T>*_prev;
list_node(const T& x=T())//拷贝构造
:_data(x)
,_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
{}
};
2.2 list的成员变量
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
private:
Node* _head;
};
2.3 list迭代器的封装实现
list 的迭代器不再使用原生指针因为：
- 首先如果list 的迭代器使用原生指针，那对迭代器解引用得到的是一个节点，但是我们是希望对迭代器解引用可以得到节点里面存储的元素数据
- 其次 list 在底层的物理空间并不连续，如果使用原生指针作为 list 的迭代器，那对迭代器执行 ++ 操作，并不会让迭代器指向下一个节点。
所以需要对 list 的迭代器进行封装并对一些运算符进行重载以实现迭代器的效果。
2.3.1 普通迭代器
//迭代器的封装和运算符重载
template<class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T>Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)//构造
:_node(node)
{}
self& operator++()//前置++
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self operator++(int)//后置++
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self& operator--()//前置--
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self& operator--(int)//后置--
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
T& operator*()//因为要修改数据所以返回数据的&
{
return _node->_data;
}
bool operator==(const self& s)
{
return _node == s._node;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return _node !=s._node ;
}
};
迭代器不需要实现析构函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数，直接使用默认生成的就可以（所以浅拷贝就足够了不需要深拷贝）
2.3.2 const迭代器
上述实现了普通迭代器，那 const 迭代器该怎样实现呢？
所谓const 迭代器本质：是限制迭代器指向的内容不能修改，而 const 迭代器自身可以修改，它可以指向其他节点。
const iterator这种写法，const 限制的就是迭代器本身，会让迭代器无法实现 ++ 等操作(所以const迭代器不是对普通迭代器＋const修饰)。
为了实现const迭代器有两种方式：
- 单独写一个 _list_const_iterator 的类
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)
{}
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;
}
const T& operator*()
{
return _node->_data;
}
const T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
bool operator==(const self& s)
{
return _node == s._node;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return _node != s._node;
}
};
- 在普通迭代器的基础上，再传递一个模板参数，让编译器来生成
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T>Node;
typedef __list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(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;
}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
bool operator==(const self& s)
{
return _node == s._node;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return _node != s._node;
}
};
2.4 list成员函数
2.4.1 构造函数
list 本质上是一个带头双向循环链表。
void empty_init()
{
_head = new Node;//这里需要传个值所以在拷贝构造的地方给个匿名对象
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list()
{
empty_init();
}
2.4.2 拷贝构造函数
list(const list<T>& lt)//--->lt是一个const类型的
{
empty_init();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}
2.4.3 赋值运算符重载
//两种写法：
list<int>& operator=(const list<int>& lt)
{
if(this!=<)
{
clear();//释放lt3;--->不清哨兵位的头结点可以继续插入
for (auto e : lt)//遍历lt1
{
push_back(e);//把lt1中的数据插入到lt3
}
}
return *this;
}
____________________________________________________________________________________
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head,lt._head);//交换头指针
std::swap(_size, lt._size);
}
list<int>& operator=(list<int>& lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
2.4.4 迭代器相关
//普通迭代器：
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
//const迭代器：
const_iterator begin()const
{
return _head->_next;
}
const_iterator end()const
{
return _head;
}
2.4.5 insert
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(val);
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
_size++;
return iterator(newnode);
}
2.4.6 erase
iterator erase(iterator pos)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
delete cur;
cur = nullptr;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
_size--;
return iterator(next);//返回pos的下一个位置
}
2.4.7 push_back()
void push_back(const T& x)
{
//找尾
Node* tail = _head->_prev;
//插入节点
Node* newnode = new Node(x);
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
//直接复用insert
void push_back(const T& x)
{
insert(end(),x);
}
2.4.8 push_front()
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
2.4.9 pop_back()
void pop_back(const T& x)
{
erase(--end());
}
2.4.10 pop_front()
void pop_front(const T& x)
{
erase(begin());
}
2.4.11 size()
size_t size()
{
return _size;
}
2.4.12 clear()
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);//返回下一个位置的迭代器
}
}
2.4.13 析构函数
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
三、list与vector的对比
