STL 上头系列——list 容器详解

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list 🤔

我们都知道C++ 容器机制本质上就是一个封装思想，string 是对字符串数组的封装，而 vector 是对支持动态开辟的顺序表的封装，今天的 list 也不例外他是对双向带头循环链表的封装。

这种结构的优点就在于支持双向迭代，允许常数范围内任意位置的插入与删除，在插入删除操作上效率高，但是缺陷也和双向带头循环链表一样，不支持下标的随机访问。

list 的构造函数声明如下：

list<int>a{1,2,3,4,5}
list<int>a(n)//声明n个元素，每个元素默认为0
list<int>a(n, a)//声明n个元素，每个元素都是a
list<int>a(iterator.begin, iterator.end)//声明区间所指定的序列中的元素来自该区间，begin 和 end 是该区间的迭代器

list 遍历🤔

list 迭代器通过调用容器的成员函数 begin() 得到一个指向容器起始位置的 iterator，end() 函数来得到 list 端的下一位置,我们可以使用迭代器对 list 进行遍历。

list<int>::iterator it = list.begin();while(it != list.end()){*it +=1;
        cout <<*it <<" ";
        it++;}

当然也可以直接简单粗暴的范围 for 搞定：

for(auto& e : list){
        cout << e <<" ";}

list 迭代器🤔

因为 list 是链表结构，他自然不可以和 vector 一样优越的使用下标进行访问，我们仍然采用迭代器形式进行访问，他和 vector 的迭代器又有不同， vector，string 属于随机迭代器，而 list 是双向迭代器，目前的迭代器种类有 5 种：输入迭代器、输出迭代器、正向迭代器、双向迭代器、随机访问迭代器；同时也支持 rbegin() 与 rend() 的反向迭代器（也支持自己定义）。

我们自己在定义 list 迭代器时，由于数据类型的不同，我们需要定义出两种迭代器：普通迭代器和 const 迭代器，因为 const 数据类型只能由 const 迭代器进行访问。

普通迭代器非常简单：

同样的规则我们只需要将 iterator begin（）和 iterator end（）语句后加上 const再次定义出来即可。

但是！问题来了，既然考虑到了数据类型是否为 const 类型，那如果是指针类型或者引用类型时又该怎么办呢？

这时不要慌，思路很简单就是在模板+函数重载，包含进引用类型和指针类型即可：

template<class T,class Ref,class Ptr>struct__list_itrator{typedef list_node<T> Node;typedef __list_itrator <T,T*,T&> iterator;
   Node* node;
   Ref operator*(){return node->data;}//重载 & 返回到 Ref 引用类型
   Ptr operator*(){return&node->data;}//重载 * 返回到 Ptr 指针类型}

const 迭代器同理 const 修饰即可。

迭代器失效🤔

list 和 vector 一样存在迭代器失效机制，但是和 vector 相比 list 情况要简单一些，删除节点后，只有指向当前节点的迭代器失效了，其前后的迭代器仍然有效，因为底层为不连续空间，只有被删除的节点才会失效。大体上的情况和解决办法参考 vector 一文 ：STL 上头系列——vector 容器详解

性能对比🤔

list 拥有一段不连续的内存空间，如果需要大量的插入和删除，使用 list 可以进行高效的操作，对比 vector 和 list，vector在尾部插入数据时不需要移动数据，list为双向循环链表也很容易找到尾部，因此两者在尾部插入数据效率相同，vector头部插入效率极其低，需要移动大量数据，正是由于在头部插入数据效率很低，所以没有提供 push_front 的方法，但是 list 相对独立的个体并不存在这种问题，因此 list 可轻松实现 push_back 和 push_front 。

总结一下：

vector 优点：

1. 适合尾插尾删，随机访问，CPU缓存命中率高

缺点：

1. 不适合头部和中部的插入删除，需要挪动数据效率低
2. 扩容有一定性能消耗，可能存在一定程度的空间浪费

list优点：

1. 任意位置插入删除效率高 （ O(1) ）
2. 支持动态开辟，按需申请释放空间

缺点：

1. 不支持随机访问
2. CPU缓存命中率低

list 实现🤔

namespace bite
{// List的节点类
  template<class T>structListNode{ListNode(const T& val =T()):_pPre(nullptr),_pNext(nullptr),_val(val){}
    ListNode<T>* _pPre;

    ListNode<T>* _pNext;

    T _val;};//List的迭代器类

  template<class T, class Ref, class Ptr>

  class ListIterator

  {typedef ListNode<T>* PNode;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

  public:ListIterator(PNode pNode = nullptr):_pNode(pNode){}ListIterator(const Self& l):_pNode(l._pNode){}

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

    Self operator++(int){
      Self temp(*this);
      _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){return _pNode != l._pNode;}

    bool operator==(const Self& l){return!(*this!=l);}

  private:
  
    PNode _pNode;};//list类

  template<class T>

  class list
  {typedef ListNode<T> Node;typedef Node* PNode;

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

  public:// List的构造list(){CreateHead();}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;}}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
      list<T>temp(l.cbegin(), l.cend());
      this->swap(temp);}

    list<T>& operator=(const list<T> l){
      this->swap(l);return*this;}~list(){clear();
      delete _pHead;
      _pHead = nullptr;}// List 迭代器

    iterator begin(){returniterator(_pHead->_pNext);}
    
    iterator end(){returniterator(_pHead);}

    const_iterator begin()const{returnconst_iterator(_pHead->_pNext);}

    const_iterator end()const{returnconst_iterator(_pHead);}// List 容量操作size_tsize()const{size_t size =0;
      ListNode *p = _pHead->_pNext;while(p != _pHead){
        size++;
        p = p->_pNext;}return size;}

    bool empty()const{returnsize()==0;}// List 访问
    T&front(){assert(!empty());return _pHead->_pNext->_val;}const T&front()const{assert(!empty());return _pHead->_pNext->_val;}

    T&back(){assert(!empty());return _pHead->_pPre->_val;}const T&back()const{assert(!empty());return _pHead->_pPre->_val;}// List 修改voidpush_back(const T& val){insert(begin(), val);}voidpop_back(){erase(--end());}voidpush_front(const T& val){insert(begin(), val);}voidpop_front(){erase(begin());}// 在pos位置前插入值为val的节点

    iterator insert(iterator pos,const T& val){
      PNode pNewNode = new Node(val);
      PNode pCur = pos._pNode;// 先将新节点插入
      pNewNode->_pPre = pCur->_pPre;
      pNewNode->_pNext = pCur;
      pNewNode->_pPre->_pNext = pNewNode;
      pCur->_pPre = pNewNode;returniterator(pNewNode);}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置

    iterator erase(iterator pos){// 找到待删除的节点
      PNode pDel = pos._pNode;
      PNode pRet = pDel->_pNext;// 将该节点从链表中拆下来并删除
      pDel->_pPre->_pNext = pDel->_pNext;
      pDel->_pNext->_pPre = pDel->_pPre;
      delete pDel;returniterator(pRet);}voidclear(){
      iterator p =begin();while(p !=end()){
        p =erase(p);}}voidswap(List<T>& l){
      pNode tmp = _pHead;
      _pHead = l._pHead;
      l._pHead = tmp;}

  private:voidCreateHead(){
      _pHead = new Node;
      _pHead->_pPre = _pHead;
      _pHead->_pNext = _pHead;}

    PNode _pHead;};}

今天就到这里吧，润了家人们。