本篇文章对list的使用进行了举例讲解。同时也对底层实现进行了讲解。底层的实现关键在于迭代器的实现。希望本篇文章会对你有所帮助。
文章目录
一、list的使用
1、1 list的介绍
1、2 list的使用
1、2、1 list的常规使用
1、2、2 list的sort讲解
二、list的底层实现
2、1 初构list底层模型
2、2 迭代器的实现
2、2、1 普通迭代器
2、2、2 const 迭代器
2、3 完善其他底层实现
三、总结
🙋♂️ 作者：@Ggggggtm 🙋♂️
👀 专栏：C++ 👀
💥 标题：list讲解💥
❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️
一、list的使用
1、1 list的介绍
C++中的标准模板库（STL）提供了许多容器类来处理不同类型的数据，其中之一就是list。list是一个双向链表容器，它可以在其内部存储各种类型的元素，并且支持动态地添加、删除和修改元素。
以下是list的几个主要特点：
- 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）。
list的特点主要是基于list底层实现是双向带头循环链表。
1、2 list的使用
1、2、1 list的常规使用
使用list容器时，可以使用其公共接口提供的各种方法来执行常见的操作，如插入、删除、访问等。常用的成员函数包括：
- push_back(element)：将element添加到列表的末尾。
- push_front(element)：将element添加到列表的开始位置。
- pop_back()：从列表的末尾删除元素。
- pop_front()：从列表的开始位置删除元素。
- insert(position, element)：在指定位置插入element。
- erase(position)：删除指定位置上的元素。
- size()：返回列表中的元素数量。
- empty()：检查列表是否为空。
- clear()：清空列表中的所有元素。
- sort()：对列表元素排序。
除了以上常用函数外，list还提供了许多其他功能，如合并、翻转等。下面我们结合实际例子来理解以下上述的list的使用。
具体代码如下：
void test_list() { // 创建一个列表 list<int> numbers; // 添加元素到列表末尾 numbers.push_back(1); numbers.push_back(2); numbers.push_back(3); numbers.push_back(4); numbers.push_back(5); //打印链表中的元素 list<int>::iterator it = numbers.begin(); while (it != numbers.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; //添加元素到列表头部 numbers.push_front(10); numbers.push_front(20); numbers.push_front(30); numbers.push_front(40); //删除链表尾部元素 numbers.pop_back(); for (auto e : numbers) { cout << e << " "; } cout << endl; // 插入元素到指定位置 auto pos = find(numbers.begin(), numbers.end(), 3); if (pos != numbers.end()) { // pos是否会失效？不会 numbers.insert(pos, 30); } for (auto e : numbers) { cout << e << " "; } cout << endl; //删除指定位置元素 pos = find(numbers.begin(), numbers.end(), 4); if (pos != numbers.end()) { // pos是否会失效？会 删除后pos位置直接会被释放 numbers.erase(pos); // cout << *pos << endl; } for (auto e : numbers) { cout << e << " "; } cout << endl; // 对列表进行升序排序 numbers.sort(); // 输出列表元素 for (int number : numbers) { cout << number << " "; } cout << endl; } int main() { test_list(); return 0; }我们再看一下实际的运行结果：
如上结果可以对应着代码一起看，对list的使用理解会容易一点。
1、2、2 list的sort讲解
list容器内部自己提供了sort函数。为什么呢？我们知道，STL中有一个重要组件就是算法，其中提供了sort函数，那这两者又有什么区别呢？
首先STL中的算法库中提供的sort函数底层使用的是快排。list中的迭代器并不支持随机访问迭代器，所以不能使用STL算法库中提供的sort。list容器中的sort函数底层使用的是归并排序。两者是有所区别的。
我们先来测试一下两者的效率，看看是否属于一个级别的。测试代码如下：
void test_op() { srand(time(0)); const int N = 100000; vector<int> v; v.reserve(N); list<int> lt1; list<int> lt2; for (int i = 0; i < N; ++i) { auto e = rand(); //v.push_back(e); lt1.push_back(e); lt2.push_back(e); } // 拷贝到vector排序，排完以后再拷贝回来 int begin1 = clock(); for (auto e : lt1) { v.push_back(e); } sort(v.begin(), v.end()); size_t i = 0; for (auto& e : lt1) { e = v[i++]; } int end1 = clock(); int begin2 = clock(); // sort(lt.begin(), lt.end()); lt2.sort(); int end2 = clock(); printf("copy vector sort:%d\n", end1 - begin1); printf("list sort:%d\n", end2 - begin2); } int main() { test_op(); return 0; }针对上述代码，讲解一下比较的思路。首先我们创建两个链表。随机生成一百万个元素加入到链表中。一个链表用于把元素拷贝到vector排序，然后调用STL算法库中的sort函数，排完以后再拷贝回来，计算此过程的时间。另一个链表直接调用自己容器内的sort进行排序，计算排序时间。我们看一下时间对比：
我们发现，在debug版本下调试，差距基本上不大。但是在release版本下调试，还是有一定差距的。发现在release版本下，拷贝到vector中排序更快。数据量越大，效果会越明显。所以，当数据量大的时候，我们尽量去使用拷贝到vector中，调用STL算法库中的sort函数去排序。
二、list的底层实现
2、1 初构list底层模型
我们知道list底层是带头双向循环列表后，我们可大概构建一个模型。如下：
template<class T> struct list_node { T _data; list_node<T>* _next; list_node<T>* _prev; list_node(const T& x = T()) :_data(x) , _next(nullptr) , _prev(nullptr) {} }; template<class T> class list { typedef list_node<T> Node; public: list() { _head = new Node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } void push_back(const T& x) { Node* tail = _head->_prev; Node* newnode = new Node(x); tail->_next = newnode; newnode->_prev = tail; newnode->_next = _head; _head->_prev = newnode; } private: Node* _head; };上述代码中，也实现了尾插。尾插来说相对简单，这里就不再做过解释。关键是list的迭代器的底层实现。
2、2 迭代器的实现
2、2、1 普通迭代器
我们先想一下vector和string的迭代器。 vector和string的迭代器底层无非就是指针，该指针指向元素内容。支持++、--、解引用等操作。
list的迭代器底层能直接是Node* 指针吗？假如是Node* 指针，我们 ++ 和 -- 操作，是不能够找到下一个元素的。因为链表本身每个节点的地址不是连续的。其次，我们解引用操作并不是找到节点所存储的值，而是找到的是该节点。
综上主要原因，为了解决上述情况，C++ list 的底层迭代器采用了把 Node* 封装成了一个类。在该类中重载运算符，以达到我们想要的效果。我们可结合如下代码理解一下：
template<class T> struct __list_iterator { typedef list_node<T> Node; Node* _node; // 构造函数 __list_iterator(Node* node) :_node(node) {} // 解引用操作，返回节点所存储的值 T& operator*() { return _node->_val; } // 前置++ __list_iterator<T>& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } // 后置++ 返回 ++前的结果 __list_iterator<T> operator++(int) { __list_iterator<T> tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } // 比较的节点的地址是够相同 bool operator!=(const __list_iterator<T>& it) { return _node != it._node; } bool operator==(const __list_iterator<T>& it) { return _node == it._node; } };
我们再把封装后的迭代器类融入到 list 类中。为什么还要融入到 list 类中呢？融入到 list 中又该怎么使用呢？我们先看如下代码：
list<int> lt; lt.push_back(1); lt.push_back(2); lt.push_back(3); lt.push_back(4); list<int>::iterator it = lt.begin();我们定义 list 迭代器时，是根据 list 对象 lt，通过调用该类的成员函数 begin（）或者end（）来创建的。那我们自己实现时，在list中提供这两个成员函数即可。代码如下：
template<class T> struct list_node { list_node<T>* _next; list_node<T>* _prev; T _val; list_node(const T& val = T()) :_next(nullptr) , _prev(nullptr) , _val(val) {} }; template<class T> struct __list_iterator { typedef list_node<T> Node; Node* _node; __list_iterator(Node* node) :_node(node) {} T& operator*() { return _node->_val; } __list_iterator<T>& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } __list_iterator<T> operator++(int) { __list_iterator<T> tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } bool operator!=(const __list_iterator<T>& it) { return _node != it._node; } bool operator==(const __list_iterator<T>& it) { return _node == it._node; } }; template<class T> class list { typedef list_node<T> Node; public: typedef __list_iterator<T> iterator; iterator begin() { //单参数的构造函数支持隐式类型转换 // Node* 会进行隐式类型转换，中间会生成一个匿名对象作为临时变量 //return _head->_next; return iterator(_head->_next); } iterator end() { return _head; //return iterator(_head); } list() { _head = new Node; _head->_prev = _head; _head->_next = _head; } void push_back(const T& x) { Node* tail = _head->_prev; Node* newnode = new Node(x); tail->_next = newnode; newnode->_prev = tail; newnode->_next = _head; _head->_prev = newnode; } private: Node* _head; };
2、2、2 const 迭代器
我们实现的普通的迭代器，那const 修饰的迭代器，不就是在普通的迭代器上加上一个指针就可以了。代码如下：
// const 迭代器 const __list_iterator<T> typedef const __list_iterator<T> const_iterator;注意：上述的 const 修饰的是这个类型，这个类型是自定义类型，并不是我们之前学的指针。我们也可结合如下代码理解：
//const __list_iterator<T> //typedef const __list_iterator<T> const_iterator; const list<int> numbers; // 添加元素到列表末尾 numbers.push_back(1); numbers.push_back(2); numbers.push_back(3); numbers.push_back(4); numbers.push_back(5); list<int>::const_iterator cit=numbers.begin(); // const int a = 10;上述的 const 是修饰的迭代器本身，并不是迭代器指向的内容。这样修饰只是迭代器本身不能修改。而我们想要是迭代器指向的内容不能被修改。也就是解引用返回的值不能被修改。当然，我们可以再封装一个const迭代器类，代码如下：
template<class T> struct __list_const_iterator { typedef list_node<T> Node; Node* _node; __list_const_iterator(Node* node) :_node(node) {} const T& operator*() { return _node->_val; } __list_const_iterator<T>& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } __list_const_iterator<T> operator++(int) { __list_const_iterator<T> tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it) { return _node != it._node; } bool operator==(const __list_const_iterator<T>& it) { return _node == it._node; } };这样我们发现会不会设计的代码优点冗余了。C++ STL中，list底层实现也并非如此，而是通过增加模板参数选择复用代码。如下图：
我们可以通过增加模板参数（第三个模板参数我们后面也会讲到），来控制解引用返回的是否是用const修饰的引用。代码如下：
template<class T, class Ref, class Ptr> struct __list_iterator { typedef list_node<T> Node; typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> iterator; Node* _node; // 休息到17：02继续 __list_iterator(Node* node) :_node(node) {} bool operator!=(const iterator& it) const { return _node != it._node; } bool operator==(const iterator& it) const { return _node == it._node; } // *it it.operator*() // const T& operator*() // T& operator*() Ref operator*() { return _node->_data; } // ++it iterator& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } // it++ iterator operator++(int) { iterator tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } }; template<class T> class list { typedef list_node<T> Node; public: typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; const_iterator begin() const { return const_iterator(_head->_next); } const_iterator end() const { return const_iterator(_head); } iterator begin() { return iterator(_head->_next); } iterator end() { return iterator(_head); } list() { _head = new Node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } void push_back(const T& x) { //Node* tail = _head->_prev; //Node* newnode = new Node(x); _head tail newnode //tail->_next = newnode; //newnode->_prev = tail; //newnode->_next = _head; //_head->_prev = newnode; insert(end(), x); } private: Node* _head; };我们在 list 类中添加 const 迭代器的返回即可。当我们定义const对象时，会自动调用const修饰的迭代器。当调用const修饰的迭代器时，__list_iterator的模板参数就会实例化为const T&。实际上在实例化时，const和非const修饰的还是两个不同类，只不过是实例化的代码工作交给了编译器处理了。
以上就是迭代器的底层实现。list底层中，关键重点就是迭代器的实现。其他部分相对来说简单。接下来我们完善剩余的底层实现部分。
2、3 完善其他底层实现
我们上述代码中有尾插，再把常用接口和拷贝构造、赋值重载实现即可。代码如下：
void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); } iterator insert(iterator pos, const T& x) { Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev; Node* newnode = new Node(x); // prev newnode cur prev->_next = newnode; newnode->_prev = prev; newnode->_next = cur; cur->_prev = newnode; return iterator(newnode); } iterator erase(iterator pos) { assert(pos != end()); Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev; Node* next = cur->_next; prev->_next = next; next->_prev = prev; delete cur; return iterator(next); } void pop_back() { erase(--end()); } void pop_front() { erase(begin()); } void empty_init() { // 创建并初始化哨兵位头结点 _head = new Node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } template <class InputIterator> list(InputIterator first, InputIterator last) { empty_init(); while (first != last) { push_back(*first); ++first; } } list() { empty_init(); } void swap(list<T>& x) //void swap(list& x) { std::swap(_head, x._head); } // lt2(lt1) list(const list<T>& lt) { empty_init(); list<T> tmp(lt.begin(), lt.end()); swap(tmp); } // lt1 = lt3 list<T>& operator=(list<T> lt) { swap(lt); return *this; } ~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; } void clear() { iterator it = begin(); while (it != end()) { it = erase(it); } }上述代码，把初始化的代码再次封装了一个函数。list初始化构造也可用一段区间来初始化，这个区间可以是vector迭代器区间，或者数组的指针区间等等。其他实现均较为简单。
三、总结
我们之前是由顺序表和链表的对比，现在我们再对比一下vector和list的优缺点。如下：
vector list
list底层实现关键是迭代器的实现。我们要清楚的是， list的迭代器底层就是一个对节点进行封装的类。初学可能会感觉有点难以理解。但是，应多看几遍理解整体结构就很容易清楚了。本篇文章的讲解就到这里，感谢观看ovo~
