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
1.2.1 list的构造
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
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
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
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
// list迭代器的使用
// 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;
}1.2.3 list capacity
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
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
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;
}1.2.6 list的迭代器失效 （难点）
我们已经说过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);
}
}所以实际上该迭代器在底层实现时，最后返回的是下一个节点的地址，所以我们每次都要给他赋值才行！！！
2. list的深度剖析及模拟实现
2.1 模拟实现list
#pragma once
namespace bit
{
template <class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
T _data;
ListNode(const T& x = T())
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _data(x)
{}
};
// 适配器 -- 复用
template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct Reverse_iterator
{
typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
Iterator _it;
Reverse_iterator(Iterator it)
:_it(it)
{}
Ref operator*()
{
Iterator tmp = _it;
return *(--tmp);
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
bool operator!=(const Self& s)
{
return _it != s._it;
}
};
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
Node* _node;
ListIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr 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>
//struct ListConstIterator
//{
// typedef ListNode<T> Node;
// typedef ListConstIterator<T> Self;
// Node* _node;
// ListConstIterator(Node* node)
// :_node(node)
// {}
// const T& operator*()
// {
// return _node->_data;
// }
// 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;
typedef ListConstIterator<T> const_iterator;*/
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;
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
const_reverse_iterator rbegin() const
{
return reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend() const
{
return reverse_iterator(begin());
}
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list()
{
empty_init();
}
list(initializer_list<T> il)
{
empty_init();
for (auto& e : il)
{
push_back(e);
}
}
//lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
//lt1 = lt2;
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
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);
list<int>::iterator it = lt.begin();
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 };
lt.push_back(aa1);
lt.push_back(aa2);
lt.push_back(A(2, 2));//匿名对象
lt.push_back({ 3, 3 }); //单参数类型构造函数支持隐式类型转换，多参数也可以支持
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)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;
cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;//编译器帮我们省略了一个->方便我们使用
cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;
++it;
}
cout << endl;
}
//void PrintList(const list<int>& clt)
//{
// list<int>::const_iterator it = clt.begin();//权限可以缩小，不可变大
// while (it != clt.end())
// {
// //*it += 10;
// cout << *it << " ";
// ++it;
// }
// cout << endl;
//}
void PrintList(list<int>& clt)
{
list<int>::reverse_iterator it = clt.rbegin();//权限可以缩小，不可变大
while (it != clt.rend())
{
//*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);
}
}2.2 list的反向迭代器
namespace bit
{
// 适配器 -- 复用
template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct Reverse_iterator
{
typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
Iterator _it;
Reverse_iterator(Iterator it)
:_it(it)
{}
Ref operator*()
{
Iterator tmp = _it;
return *(--tmp);
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
bool operator!=(const Self& s)
{
return _it != s._it;
}
};
// vector和list反向迭代器实现
}这是一个通用的反向迭代器！！！
我们可以看到其底层是怎么样来实现这样的功能的！！！
3. list与vector的对比
| vector | list | |
| 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 |
![[阅读笔记16][Orca-2]Teaching Small Language Models How to Reason](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/3162f310f55a47a08334d07cac3f2f8a.png)