【C++】list介绍及使用模拟实现对比vector

news2024/11/26 21:18:09

文章目录

  • 1. 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以及insert和erase的使用
      • 1.2.3 list的迭代器失效
  • 2. list的模拟实现
    • 2.1 模拟实现list
  • 3.（本文精华）list与vector的对比

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1. list的介绍及使用

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的底层是带头双向循环链表结构。

  3. 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，但排序效率list相比于vector会更低。

  4. 与其他序列式容器相比，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，掌握如何正确的使用非常关键，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 (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()构造空的list
list (const list& x)拷贝构造函数
list (InputIterator first, InputIterator last)用[first, last)区间中的元素构造list

list的构造的使用以及代码详解注释：

void TestList1()
{
    list<int> l1;                         // 构造空的l1
    list<int> l2(4, 100);                 // l2中放4个值为100的元素
    list<int> l3(l2.begin(), l2.end());  // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3
    list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4

    // 以数组为迭代器区间构造l5，迭代器区间可以是地址也可以是自定义类型的迭代器
    int array[] = { 16,2,77,29 };
    list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));

    // 列表格式初始化C++11
    list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };

    // 用迭代器方式打印l5中的元素
    list<int>::iterator it = l5.begin();
    while (it != l5.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }       
    cout << endl;

    // C++11范围for的方式遍历
    for (auto& e : l5)
        cout << e << " ";

    cout << endl;
}

1.2.2 list iterator以及insert和erase的使用

大家可将迭代器理解成一个像指针一样的东西，该指针指向list中的某个节点。但这个“指针”是经过特殊封装过的，通过各种类自己内部不同的封装，使迭代器具有和指针一样的特性。
【注意】

  1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
  2. 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

list的迭代器使用代码演示以及代码详解注释：
在这里插入图片描述

// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for
void PrintList(const list<int>& l)
{
    // 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象
    for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
    {
        cout << *it << " ";
        // *it = 10; 编译不通过
    }

    cout << endl;
}

void TestList2()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    // 使用正向迭代器正向list中的元素
    // list<int>::iterator it = l.begin();   // C++98中语法
    auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法
    while (it != l.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

    // 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
    // list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();
    auto rit = l.rbegin();
    while (rit != l.rend())
    {
        cout << *rit << " ";
        ++rit;
    }
    cout << endl;
}

list的插入和删除使用代码演示以及代码详解注释：

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
// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{
    int array[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

    // 在list的尾部插入4，头部插入0
    L.push_back(4);
    L.push_front(0);
    PrintList(L);

    // 删除list尾部节点和头部节点
    L.pop_back();
    L.pop_front();
    PrintList(L);
}

// insert /erase 
void TestList4()
{
    int array1[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));

    // 获取链表中第二个节点
    auto pos = ++L.begin();
    cout << *pos << endl;

    // 在pos前插入值为4的元素
    L.insert(pos, 4);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入5个值为5的元素
    L.insert(pos, 5, 5);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
    vector<int> v{ 7, 8, 9 };
    L.insert(pos, v.begin(), v.end());
    PrintList(L);

    // 删除pos位置上的元素
    L.erase(pos);
    PrintList(L);

    // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
    L.erase(L.begin(), L.end());
    PrintList(L);
}

// resize/swap/clear
void TestList5()
{
    // 用数组来构造list
    int array1[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
    PrintList(l1);

    // 交换l1和l2中的元素
    list<int> l2;
    l1.swap(l2);
    PrintList(l1);
    PrintList(l2);

    // 将l2中的元素清空
    l2.clear();
    cout << l2.size() << endl;
}

1.2.3 list的迭代器失效

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。
list使用erase之后，迭代器失效的错误代码：

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已经无效了，在下一次使用it时，必须先给其赋值
		l.erase(it);
		++it;//这里对迭代器++必然会报错，因为it通过erase函数对结点的地址进行delete操作之后，空间被释放了，迭代器只是一个结点地址的封装，必然也就失效了
	}
}

list使用erase之后，迭代器失效的正确的处理方法：

// 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);//l.erase(it++); 
	}
}

2. list的模拟实现

2.1 模拟实现list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，现在我们来模拟实现list。
List的迭代器类的模拟实现：

 template<class T, class Ref, class Ptr>
 struct ListIterator
 {
     typedef ListNode<T> PNode;
     typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

     PNode* _pNode;//迭代器里就一个成员变量，结点的地址
 
     ListIterator(PNode* node = nullptr)
         :_pNode(node)
     {}

     ListIterator(const Self& l)
     {
         _pNode = l._pNode;
     }

     //$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$迭代器重要部分$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
     //T& operator*()
     Ref operator*()//解引用返回的值根据模板参数Ref可以控制T&和const T&
     {
         return _pNode->_val;//考虑const迭代器之后，通过结点（struct）的地址用->来获取内部的变量
     }

     
     //T* operator->()
     Ptr operator->()//能用箭头的肯定是一个自定类型，这里所做的工作就是把自定义类型的地址给我取出来就可以
     {
         return &(_pNode->_val);//考虑const迭代器之后，通过Ptr控制T*和const T*
     }
     //$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$迭代器重要部分$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

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

     //1.后置++两次拷贝效率低
     //2.后置++或者--都是要传值返回不能用传引用返回，因为定义的临时变量temp出了作用域就销毁了
     Self/*第二次拷贝*/ operator++(int)
     {
         Self temp(*this);//第一次拷贝
         _pNode = _pNode->_pNext;
         return temp;
     }

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

     Self operator--(int)
     {
         Self temp(*this);
         _pNode = _pNode->_pPre;
         return temp;
     }
     bool operator!=(const Self& l) const
     {
         return l._pNode != _pNode;//直接拿结点的地址比较
     }
     bool operator==(const Self& l) const 
     {
         return l._pNode == _pNode;
     }
 };

list完整模拟实现代码以及详解注释链接

3.（本文精华）list与vector的对比

vector博客链接
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：

不同方面vectorlist
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
随机访问支持随机访问，访问某个元素效率O(1)不支持随机访问，访问某个元素效率O(N)
插入和删除任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为O(1)
空间利用率底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率高，缓存利用率高底层节点动态开辟，小节点容易造成内存碎片，空间利用率低，缓存利用率低
迭代器原生态指针对原生态指针(节点指针)进行封装
迭代器失效在插入元素时，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；删除元素时，当前迭代器也需要重新赋值否则会失效插入元素不会导致迭代器失效，删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响
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

end
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