stl_list类（使用+实现）（C++）

news2024/11/14 1:13:29

list

  • 一、list-简单介绍
  • 二、list的常用接口
    • 1.常见构造
    • 2.iterator的使用
    • 3.Capacity和Element access
    • 4.Modifiers
    • 5.list的迭代器失效
  • 三、list实现
  • 四、vector 和 list 对比
  • 五、迭代器
    • 1.迭代器的实现
    • 2.迭代器的分类（按照功能分类）
    • 3.反向迭代器
      • (1)、包装逻辑
      • (2)、代码
    • 注意

一、list-简单介绍

list是一个可以在常熟范围内任意位置进行插入和删除的序列式容器。底层是带头双向循环链表（链接中有对带头双向循环链表的逻辑分析）。

二、list的常用接口

1.常见构造

(constructor)构造函数声明接口说明
list()无参构造
list(size_type n, const T& val = T()构造并初始化n个val
list(const list& x)拷贝构造
list(InputIterator first, InputIterator last)使用迭代器[first, last)区间中的元素初始化构造list

test:

void test_constructor()
{
	list<int> lt1;                       //无参构造
	list<int> lt2(4, 25);                //构造并初始化n个val
	list<int> lt3(l2.begin(), l2.end()); //用lt2的[first, last)区间构造
	list<int> lt4(l3);                   //拷贝构造
}

2.iterator的使用

注意：list的迭代器和vector string不同。vector和string的迭代器都是原生指针，而list的迭代器是一个封装起来的指针。

iterator的使用接口说明
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）

一个正向迭代器一个反向迭代器，注意使用规则，前者++迭代器向后移动，后者++迭代器向前移动。

test:

void test_iterator()
{
	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	list<int> lt(arr, arr + sz);
	
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	//反向迭代器
	list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
	while (rit != lt.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;
}

iterator示意图

3.Capacity和Element access

函数名称接口说明
size返回list中的有效节点个数
empty判断是否为空
函数名称接口说明
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

test:

void test_capacity_elementAccsee()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(77);
	lt.push_back(22);

	//头节点的值-尾节点的值
	lt.front() -= lt.back();
	
	cout << lt.front() << endl;
	cout << "size:" << lt.size() << endl;
	cout << "empty:" << lt.empty() << endl;
}

4.Modifiers

函数名称接口说明
push_front头插
pop_front头删
push_back尾插
pop_back尾删
erase删除pos位置的数据
insert在pos之前插入val
swap交换两个list的元素
clear情况list的有效元素

test: 头插 头删 尾插 尾删

void test_Modifiers1()
{
	list<int> lt;
	//头插
	lt.push_front(1);
	lt.push_front(2);
	//尾插
	lt.push_back(10);
	lt.push_back(20);

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

	//头删
	lt.pop_front();
	//尾删
	lt.pop_back();
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

test: 插入 删除 交换 清理

void test_Modifiers2()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);    
	
	Print(lt);

	//获取链表第二个节点
	list<int>::iterator pos = lt.begin();
	cout << *(++pos) << endl;

	//在pos前插入值为100的元素
	lt.insert(pos, 100);
	Print(lt);

	//在pos前插入值5个5
	lt.insert(pos, 5, 5);
	Print(lt);

	//在pos前插入[v.begin(), v.end())区间的元素
	vector<int> v{ 6, 6, 6 ,6 };
	lt.insert(pos, v.begin(), v.end());
	Print(lt);

	//删除操作
	//删除pos位置上的元素     --   特别注意一下迭代器失效问题（下个知识点介绍）
	lt.erase(pos);
	Print(lt);

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

	list<int> lt1{ 6, 6, 6 ,6 };
	lt1.swap(lt);
	cout << "lt::empty:" << lt.empty() << endl;
	cout << "lt1::empty:" << lt1.empty() << endl;

	lt.clear();
	cout << "new_lt::empty:" << lt.empty() << endl;
}

5.list的迭代器失效

在list中迭代器失效即迭代器指向的节点是无效的，即该节点被删除了。因为list的底层是带头双向循环列表，所以在插入元素时，不会导致liet迭代器失效，只有删除时指向删除节点的那个迭代器失效，其他的迭代器不受影响。

错误代码：

void test_iterator_invalid()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
	size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	list<int> lt(arr, arr + sz);
	
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		//erase()执行完之后，it所指向的节点已经被删除，因此it无效，下次使用必须重新赋值
		lt.erase(it);

		++it;   //err   迭代器失效
	}
}

改正：

void test_iterator_invalid()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
	size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	list<int> lt(arr, arr + sz);

	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		lt.erase(it++);  //it = lt.erase(it);
	}
}

三、list实现

list类整体实现代码
注意：这里就不单列出来一部分成员函数进行介绍了，因为重要的在string类和vector类都进行了重点讲解。

反向迭代器在list类实现中不进行介绍，在最后单列一个知识点讲解

#include <assert.h>

namespace kpl
{
	// List的节点类
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* _prev;
		ListNode<T>* _next;
		T _val;
		
		//初始化
		ListNode(const T& val = T())
			: _prev(nullptr)
			, _next(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};
	
	//List 的迭代器:将原生态指针进行封装
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	class ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

	public:
		// Ref 和 Ptr 类型重定义，在实现反向迭代器时便于使用。就不需要再模板传参时传Ref和Ptr
		typedef Ref Ref;
		typedef Ptr Ptr;

		// 构造
		ListIterator(Node* node = nullptr)
			: _node(node)
		{}

		// 在模板中多加一个参数Ref的原因是：区分const返回
		Ref operator*() 
		{ 
			return _node->_val;
		}

		//Ptr：区分const返回
		Ptr operator->() 
		{ 
			return &(operator*()); 
		}

		
		Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			_node = _node->_next;
			return temp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return temp;
		}

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

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

		Node* _node;
	};

	//反向迭代器借用正向迭代器实现
	template<class Iterator>
	class ReverseListIterator
	{
	public:
		typedef typename Iterator::Ref Ref;
		typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
		typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;

		// 构造
		ReverseListIterator(Iterator it)
			: _it(it)
		{}

		Ref operator*()
		{
			Iterator temp(_it);
			--temp;
			return *temp;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}

		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			--_it;
			return temp;
		}

		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			++_it;
			return temp;
		}

		// 比较
		bool operator!=(const Self& l)const
		{
			return _it != l._it;
		}

		bool operator==(const Self& l)const
		{
			return _it != l._it;
		}

		Iterator _it;
	};

	
	//list类模板的实现
	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;

	public:
		// 正向迭代器
		// 这里就也可以看出传三个模板参数的原因。不值得再去写一个const修饰的模板，普通的迭代器和const修饰的迭代器区别就在于部分成员函数的返回值，所以多传递两个参数即可
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;

		// 反向迭代器
		typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
		typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
	public:
		// List的构造
		list()
		{
			CreateHead();  //因为很多地方都会使用这部分代码，所以进行封装，方便调用
		}

		list(int n, const T& value = T())
		{
			CreateHead();
			for (int i = 0; i < n; ++i)
				push_back(value);
		}

		template <class Iterator>
		list(Iterator first, Iterator last)
		{
			CreateHead();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		//拷贝构造
		list(const list<T>& l)
		{
			CreateHead();

			// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换。也可以一次赋值
			list<T> temp(l.begin(), l.end());
			swap(temp);
		}

		list<T>& operator=(list<T> l)
		{
			swap(l);
			return *this;
		}

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

		// List的迭代器
		iterator begin() 
		{ 
			//or return _head->_next;
			return iterator(_head->_next); 
		}

		iterator end() 
		{ 
			//or return _head;
			return iterator(_head); 
		}

		const_iterator begin()const 
		{ 
			//or return _head->_next;
			return const_iterator(_head->_next); 
		}

		const_iterator end()const
		{ 
			//or return _head；
			return const_iterator(_head); 
		}

		//反向迭代器
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}

		const_reverse_iterator rbegin()const
		{
			return const_reverse_iterator(end());
		}

		const_reverse_iterator rend()const
		{
			return const_reverse_iterator(begin());
		}

		// capacity相关
		size_t size()const
		{
			//在实现size时，也可以通过给list类增减一个size_t类型的成员变量，然后返回
			
			Node* cur = _head->_next;
			size_t count = 0;
			while (cur != _head)
			{
				count++;
				cur = cur->_next;
			}

			return count;
		}

		bool empty()const
		{
			return _head->_next == _head;
		}

		void resize(size_t newsize, const T& data = T())
		{
			size_t oldsize = size();
			if (newsize <= oldsize)
			{
				// 有效元素个数减少到newsize
				while (newsize < oldsize)
				{
					pop_back();
					oldsize--;
				}
			}
			else
			{
				while (oldsize < newsize)
				{
					push_back(data);
					oldsize++;
				}
			}
		}

		// List的元素访问操作
		// 注意：List不支持operator[]
		T& front()
		{
			return _head->_next->_val;
		}

		const T& front()const
		{
			return _head->_next->_val;
		}

		T& back()
		{
			return _head->_prev->_val;
		}

		const T& back()const
		{
			return _head->_prev->_val;
		}


		// List的插入和删除
		void push_back(const T& val) 
		{ 
			insert(end(), val); 
		}

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

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

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

		// 在pos位置前插入值为val的节点
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* pNewNode = new Node(val);
			Node* cur = pos._node;
			// 先将新节点插入
			pNewNode->_prev = cur->_prev;
			pNewNode->_next = cur;
			pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
			cur->_prev = pNewNode;
			return iterator(pNewNode);
		}

		// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
		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 next;
		}

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
			_head->_next = _head->_prev = _head;
		}
		

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

	private:
		void CreateHead()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}
	private:
		Node* _head;
	};
}

四、vector 和 list 对比

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
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
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

五、迭代器

1.迭代器的实现

迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：

  1. 原生态指针，比如：vector
  2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
    • 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
    • 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
    • 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
    • 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()。至于operator–()/operator–(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前移动，所以需要重载，如果是forward_list（单链表）就不需要重载–。
    • 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

2.迭代器的分类（按照功能分类）

迭代器的分类

  1. 单向迭代器的功能相对较少，只能进行逐个元素的遍历和访问操作。它只支持t运算符来移动到下一个元素，不支持–运算符来回退到前一个元素。因此，单向迭代器无法进行逆向遍历和随机访问元素的操作。
  2. 双向迭代器相比于单向迭代器功能更加强大，它支持双向即可以使用++运算符向前移动到下一个元素，也可以使用–运算符向后移动到前一个元素。因此，双向迭代器可以进行逆向遍历和前向遍历操作。
  3. 随机迭代器是迭代器的最高级别，功能最丰富。它除了支持双向迭代器的所有操作外，还可以进行随机访问，即可以使用]运算符来访问任意位置的元素。此外，随机迭代器还可以进行迭代器之间的算术运算，比如可以使用+、-运算符来计算迭代器之间的距离。

所以，单向迭代器功能最少，只能逐个访问元素;双向迭代器比单向迭代器功能更强大，可以双向移动;随机迭代器是最高级别的迭代器，功能最丰富，除了双向移动外还能进行随机访问和算术运算操作。

3.反向迭代器

(1)、包装逻辑

在这里插入图片描述

(2)、代码

template<class Iterator>
	class ReverseListIterator
	{
		// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量
		// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
		// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
		//typename和class的区别会在模板的博客中进行介绍
	public:
		typedef typename Iterator::Ref Ref;
		typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
		typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
	public:

		// 构造
		ReverseListIterator(Iterator it)
			: _it(it)
		{}

		Ref operator*()
		{
			Iterator temp(_it);
			--temp;
			return *temp;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}

		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			--_it;
			return temp;
		}

		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			++_it;
			return temp;
		}

		bool operator!=(const Self& l)const
		{
			return _it != l._it;
		}

		bool operator==(const Self& l)const
		{
			return _it != l._it;
		}

		Iterator _it;
	};

注意

	//迭代器对箭头进行了重载，返回的是一个指针
	Ptr operator->()
	{
		return &(operator*());
	}

虽然重载了->但是在使用的时候，会发现一个问题。
eg:

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

	int _a1;
	int _a2;
};

void test_iterator()
{
	list<A> lt;
	lt.push_back(A(1, 1));
	lt.push_back(A(2, 2));
	lt.push_back(A(3, 3));
	list<A>::iterator it = lt.begin();

	while (it != lt.end())
	{
		cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << endl;
		cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;
}

在这里插入图片描述

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代码随想录算法训练营day55

代码随想录算法训练营day55

文章目录 Day55 判断子序列题目思路代码 不同的子序列题目思路代码 Day55 判断子序列 392. 判断子序列 - 力扣&#xff08;LeetCode&#xff09; 题目 给定字符串 s 和 t &#xff0c;判断 s 是否为 t 的子序列。 字符串的一个子序列是原始字符串删除一些&#xff08;也可以…
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Java课设--学生信息管理系统（例1）

Java课设--学生信息管理系统（例1）

文章目录 前提一、运行效果二、Text实现类三、Manage选择类四、StudentWay学生方法类五、StudnetSql数据库类 前题 例1为无使用GUI图形界面&#xff0c;例2使用GUI图形界面&#xff01; 首先自己的JDBC驱动已经接好了&#xff0c;连接自己的数据库没有问题。连接数据库可以看…
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Linux Day06

Linux Day06

目录 一、printf输出问题 二、复制进程fork 2.1进程 2.2 pid_t fork(void); 注意&#xff1a; 2.3逻辑地址和物理地址 2.4写时拷贝技术 一、printf输出问题 printf 函数并不会直接将数据输出到屏幕&#xff0c;而是先放到缓冲区中&#xff0c;只有一下三种情况满 足&a…
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2.文件的逻辑结构

2.文件的逻辑结构

第四章 文件管理 2.文件的逻辑结构 顺序文件采用顺序存储则意味着各个逻辑上相邻的记录在物理上也是相邻的存储的。所以如果第0号记录的逻辑地址为0的话&#xff0c;则i号记录的逻辑为i *L。 特别的如果这个定长记录的顺序文件采用串结构&#xff0c;也就是这些记录的顺序和他…
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Python爬虫——爬虫时如何知道是否代理ip伪装成功？

Python爬虫——爬虫时如何知道是否代理ip伪装成功？

前言 在进行爬虫时&#xff0c;我们可能需要使用代理IP来伪装自己的身份&#xff0c;以避免被网站封禁。如何判断代理IP是否伪装成功呢&#xff1f;本篇文章将围绕这个问题展开讲解&#xff0c;同时提供Python代码示例。 1. 确认代理IP地址 首先&#xff0c;我们需要确认代理…
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unity制作FPS射击游戏

unity制作FPS射击游戏

文章目录 介绍鼠标移动控制视角行走、奔跑、跳跃、下蹲射击、后坐力、射速、瞄准、弹痕、枪火、抛壳手臂摇摆手枪切枪效果动画状态机玩家血量新地图场景颜色渐变激光墙获取钥匙滑动门NPC属性攻击逻辑终点传送门 介绍 角色动作方面包括行走、奔跑、跳跃、武器切换、弹夹更换、武…
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下载Windows 10光盘镜像（ISO文件）

下载Windows 10光盘镜像（ISO文件）

文章目录 下载Windows 10镜像文件 下载Windows 10镜像文件 打开微软官网下载地址 立即下载工具 找到下载工具&#xff0c;双击运行&#xff0c;等待 接受条款&#xff0c;等待 选择为另一台电脑安装介质 选择Windows10&#xff0c;下一步 选择ISO文件&#xff0c;…
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嵌入式开发学习（STC51-7-矩阵按键）

嵌入式开发学习（STC51-7-矩阵按键）

内容 按下S1-S16键&#xff0c;对应数码管最左边显示0-F 矩阵按键简介 独立按键与单片机连接时&#xff0c;每一个按键都需要单片机的一个I/O 口&#xff0c;若某单片机系统需较多按键&#xff0c;如果用独立按键便会占用过多的I/O口资源&#xff1b;而单片机 系统中I/O口资…
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