【C++】——list的介绍及使用 模拟实现

news2024/11/22 23:49:40

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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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的迭代器失效

二、 list的模拟实现

​编辑

三、 list与vector的对比

总结

前言

世上有两种耀眼的光芒，一种是正在升起的太阳，一种是正在努力学习编程的你!一个爱学编程的人。各位看官，我衷心的希望这篇博客能对你们有所帮助，同时也希望各位看官能对我的文章给与点评，希望我们能够携手共同促进进步，在编程的道路上越走越远！

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

1.1 list的介绍

list的文档介绍

  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. 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。
  4. 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。
  5. 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 (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的构造使用代码演示

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

【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

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

list的插入和删除使用代码的演示

list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

1.2.6 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。

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

Test.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<algorithm>
using namespace std;

void test_op1()
{
	srand(time(0));
	const int N = 1000000;

	list<int> lt1;
	list<int> lt2;

	vector<int> v;

	for (int i = 0; i < N; ++i)
	{
		auto e = rand() + i;
		lt1.push_back(e);
		v.push_back(e);
	}

	int begin1 = clock();
	// vector用算法排序
	sort(v.begin(), v.end());
	int end1 = clock();

	int begin2 = clock();
	// list用自己的排序方法
	lt1.sort();
	int end2 = clock();

	printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
	printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}

void test_op2()
{
	srand(time(0));
	const int N = 1000000;

	list<int> lt1;
	list<int> lt2;

	for (int i = 0; i < N; ++i)
	{
		auto e = rand();
		lt1.push_back(e);
		lt2.push_back(e);
	}

	int begin1 = clock();
	// vector

	vector<int> v(lt2.begin(), lt2.end());// 用迭代器区间进行初始化，相当于数据拷贝给vector
	// 让vector来排序
	sort(v.begin(), v.end());

	// lt2 再将数据拷贝回给list
	lt2.assign(v.begin(), v.end());

	int end1 = clock();

	int begin2 = clock();
	lt1.sort();// 直接排序
	int end2 = clock();

	printf("list copy vector sort copy list sort:%d\n", end1 - begin1);
	printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}
//
//int main()
//{
//	test_op2();
//
//	return 0;
//}

#include"list.h"

int main()
{
	bit::test_list3();

	return 0;
}
list.h
#pragma once
#include<assert.h>

// 原生指针是天然的迭代器，前提是物理空间是连续的

namespace bit
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		// 数据全部是公有的话，可以用struct
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;

		ListNode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

	// typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
	// typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

	// 期望：通过原生指针(Node*)来遍历链表，但是每个节点在物理空间上的地址不连续，没办法遍历；
	// 而且解引用也拿不到节点对象中对应的数据。
	// 原生指针(节点的指针)不满足我们的预期，所以我们用类将原生指针封装一下，自定义类型可以重载运算符，就可以掌控它的行为
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	// Ref:Reference(引用)   Ptr:pointer(指针)
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

		Node* _node;// 指针都是内置类型

		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}

		// *it
		//T& operator*()
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		// it->
		//T* operator->()
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;// 返回的是结构体A的地址
		}

		// ++it
		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;
		}

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

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

	//template<class T>
	//struct ListConstIterator
	//{
	//	typedef ListNode<T> Node;
	//	typedef ListConstIterator<T> Self;

	//	Node* _node;

	//	ListConstIterator(Node* node)
	//		:_node(node)
	//	{}

	//	// *it
	//	const T& operator*()
	//	{
	//		return _node->_data;
	//	}

	//	// it->
	//	const T* operator->()
	//	{
	//		return &_node->_data;
	//	}

	//	// ++it
	//	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;
	//	}

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

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

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
		//typedef ListIterator<T> iterator;// 将迭代器的类型重命名为iterator，不管迭代器是什么类型，都不重要了
		 
		// const的迭代器怎么搞呢？
		// 1、单独搞一个const迭代器的类模板；2、一个普通迭代器，一个const的迭代器，有点冗余了，可以用一个模板参数来控制
		//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;

		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		// 方法一：
		//iterator begin()
		//{
		//	//return iterator(_head->_next);// return后面的代码就是一个匿名对象
		//	iterator it(_head->_next);// iterator的构造函数(有名对象)
		//	return it;
		//}

		// 方法二：单参数的构造函数具有隐式类型转换
		// 普通的迭代器会被修改
		iterator begin()
		{
			return _head->_next;
		}

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

		// const迭代器，需要是迭代器(返回的是指针)不能修改，还是迭代器指向的内容？
		// 迭代器指向的内容不能修改！const iterator不是我们需要const迭代器，const修饰的是iterator(一个自定义类型)

		// T* const p1
		// const T* p2
		const_iterator begin() const
		{
			return _head->_next;
		}
		// 为什么const_iterator要加中间的下划线呢？因为const iterator是使迭代器不能被修改，不是我们需要的const迭代器。
		// 所以const的迭代器并不是在普通迭代器前面加上一个const，而是创建了一个新的const_iterator类型。
		const_iterator end() const
		{
			return _head;
		}

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}
		// 无参的构造函数
		list()
		{
			empty_init();
		}

		// lt2(lt1)
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();// 先搞一个哨兵位的头节点，自己指向自己
			// 这里的e前面要加引用，因为T有可能是string类型，如果是string类型的话，不加引用，又是浅拷贝
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		// 需要析构，一般就需要自己写深拷贝
		// 不需要析构，一般就不需要自己写深拷贝，默认浅拷贝就可以

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

		// lt1 = lt3
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}
		// 清掉所有数据，但是没有清掉头节点的数据
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}

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

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

			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}*/

		void push_back(const T& x)
		{
			insert(end(), x);
		}

		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}

		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

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

			// prev newnode cur;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			_size++;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;
			_size--;

			return iterator(next);
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

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

	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};


	void test_list1()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_back(5);
		// 不同的容器，它们内部的迭代器的类型都是不同的
		list<int>::iterator it = lt.begin();
		// 内嵌类型：1、类部类；2、typedef
		// iterator这个类型属于list<int>这个类域
		while (it != lt.end())
		{
			*it += 10;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		lt.push_front(10);
		lt.push_front(20);
		lt.push_front(30);

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

		lt.pop_back();
		lt.pop_back();
		lt.pop_front();
		lt.pop_front();

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

	struct A
	{
		int _a1;
		int _a2;

		A(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			, _a2(a2)
		{}
	};

	void test_list2()
	{
		list<A> lt;
		A aa1(1, 1);
		A aa2 = { 1, 1 };// 多参数的构造函数也可以支持隐式类型转换
		lt.push_back(aa1);
		lt.push_back(aa2);
		lt.push_back(A(2, 2));
		lt.push_back({ 3, 3 });// 隐式类型转换
		lt.push_back({ 4, 4 });

		A* ptr = &aa1;
		(*ptr)._a1;
		ptr->_a1;

		list<A>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//*it += 10;
			// cout << *it << " ";// 流插入不支持自定义类型，如果想要流插入支持自定义类型：
			// 1、自己写一个流插入的运算符重载；2、数据是共有的
			// *it是调用operator*()函数，返回的是A的对象
			//cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;
			cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;
			cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;

			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	void PrintList(const list<int>& clt)
	{
		list<int>::const_iterator it = clt.begin();
		while (it != clt.end())
		{
			//*it += 10;

			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	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);

		PrintList(lt);

		list<int> lt1(lt);
		PrintList(lt1);
	}
}

三、 list与vector的对比

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：

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，删除时，当前迭代器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

总结

好了，本篇博客到这里就结束了，如果有更好的观点，请及时留言，我会认真观看并学习。
不积硅步，无以至千里；不积小流，无以成江海。

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MQTT基础 客户端 MQTT连接 属性上传API 案例 MQTT基础 MQTT是一种轻量级的发布-订阅消息传递协议&#xff0c;它可能最适合各种物联网设备。 你可以在此处找到有关MQTT的更多信息&#xff0c;ThingsBoard服务器支持QoS级别0&#xff08;最多一次&#xff09;和QoS级别1&…
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强大的数据分析计算软件：Stata 15 for Mac 激活版

强大的数据分析计算软件：Stata 15 for Mac 激活版

Stata 15 for Mac是一款高级统计分析软件&#xff0c;具有强大的数据管理和数据提取工具。以下是其功能和特点的详细介绍&#xff1a; 软件下载&#xff1a;Stata 15 for Mac 激活版版下载 数据管理&#xff1a;Stata 15 for Mac支持多种数据库、数据格式和计算机语言&#xff…
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Python实现BOA蝴蝶优化算法优化随机森林回归模型(RandomForestRegressor算法)项目实战

Python实现BOA蝴蝶优化算法优化随机森林回归模型(RandomForestRegressor算法)项目实战

说明&#xff1a;这是一个机器学习实战项目&#xff08;附带数据代码文档视频讲解&#xff09;&#xff0c;如需数据代码文档视频讲解可以直接到文章最后获取。 1.项目背景 蝴蝶优化算法(butterfly optimization algorithm, BOA)是Arora 等人于2019年提出的一种元启发式智能算…
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Vue - 你会在同一个元素上使用v-for和v-if吗

Vue - 你会在同一个元素上使用v-for和v-if吗

难度级别：初级及以上 提问概率：50% 在初学者看来，v-for和v-if同时使用是非常方便的，二者共同使用的常见场景有两种。例如有两个列表，分别用于渲染学生数据和老师数据，然后有两个单选按钮，用于切换当前页面中需要展示学生列表还是老师列…
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SQL单表查询（2）

SQL单表查询（2）

对查询结果排序 ◆使用ORDER BY子句 – 可以按一个或多个属性列排序 – 升序&#xff1a;ASC&#xff1b;降序&#xff1a;DESC&#xff1b;缺省值为升序 ◆ 当排序列含空值时 – ASC&#xff1a;排序列为空值的元组最后显示 – DESC&#xff1a;排序列为空值的元组最先显…
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2024年会计、审计、财务与经济管理国际会议（ICAAFEM2024）

2024年会计、审计、财务与经济管理国际会议（ICAAFEM2024）

2024年会计、审计、财务与经济管理国际会议&#xff08;ICAAFEM2024&#xff09; 会议简介 2024年国际会计、审计、财务和经济管理会议&#xff08;ICAAFEM2024&#xff09;将在云南省昆明市举行。会议旨在为从事“会计、审计、财务、经济管理”研究的专家学者提供一个平台&am…
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