C++/list

欢迎

1.list的介绍

list的文档介绍

cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list

2.list的使用

2.1list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

list构造的使用：

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;
}

2.2list iterator的使用

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返回死一个元素的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

// 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
    auto it = l.begin();                    
    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;
}

2.3list capacity

empty检测list是否为空，是返回true，否则返回falsesize返回list中有效节点的个数

2.4list element access

front返回list的第一个节点中值的引用back返回list的最后一个节点值的引用

2.5list modifers

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位置中插入中为val的元素erase删除list position位置的元素clear清空list中的有效元素
list的插入和删除使用代码演示：

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;
}

2.6list的迭代器失效

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**。

#include <list>
using namespace std;

void TestListIterator1()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    // 初始化链表l，使用array数组中的元素
    list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    auto it = l.begin(); // 创建一个迭代器it，指向链表的开头

    // 遍历链表
    while (it != l.end())
    {
        // 删除当前it指向的节点
        // 这里it已经失效，不能再直接使用
        l.erase(it);
        ++it; // 增加it指向下一个节点，但此时it可能已经无效
    }
}

// 改正后的版本
void TestListIterator()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    // 初始化链表l，使用array数组中的元素
    list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    auto it = l.begin(); // 创建一个迭代器it，指向链表的开头

    // 遍历链表
    while (it != l.end())
    {
        // 删除当前it指向的节点，并返回指向下一个节点的迭代器
        // it会被更新为l.erase(it)的返回值，即指向下一个有效节点
        it = l.erase(it); // 先删除，然后更新it
    }
}

3.list的模拟实现

#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>

namespace pzn
{
    // List的节点类
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode(const T& val = T())
            : _prev(nullptr)
            , _next(nullptr)
            , _val(val)
        {}

        ListNode<T>* _prev;
        ListNode<T>* _next;
        T _val;
    };

    /*
    List 的迭代器
    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：
         1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
         2. 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->()
         3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
            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就不需要重载--
         4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()
    */
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    class ListIterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

        // Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到
    public:
        typedef Ref Ref;
        typedef Ptr Ptr;
    public:
        //
        // 构造
        ListIterator(Node* node = nullptr)
            : _node(node)
        {}

        //
        // 具有指针类似行为
        Ref operator*() 
        { 
            return _node->_val;
        }

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

        //
        // 迭代器支持移动
        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;
        }

        //
        // 迭代器支持比较
        bool operator!=(const Self& l)const
        { 
            return _node != l._node;
        }

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

        Node* _node;
    };

    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
    public:
        typedef typename Iterator::Ref Ref;
        typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
        typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
    public:
        //
        // 构造
        ReverseListIterator(Iterator it)
            : _it(it)
        {}

        //
        // 具有指针类似行为
        Ref operator*()
        {
            Iterator temp(_it);
            --temp;
            return *temp;
        }

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

        //
        // 迭代器支持移动
        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;
        }

        //
        // 迭代器支持比较
        bool operator!=(const Self& l)const
        {
            return _it != l._it;
        }

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

        Iterator _it;
    };

    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;

    public:
        // 正向迭代器
        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();
        }

        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.begin(), l.end());
            this->swap(temp);
        }

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

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

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

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

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

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

        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());
        }

        ///
        // List的容量相关
        size_t size()const
        {
            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* pCur = pos._node;
            // 先将新节点插入
            pNewNode->_prev = pCur->_prev;
            pNewNode->_next = pCur;
            pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
            pCur->_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)
        {
            // 找到待删除的节点
            Node* pDel = pos._node;
            Node* pRet = pDel->_next;

            // 将该节点从链表中拆下来并删除
            pDel->_prev->_next = pDel->_next;
            pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
            delete pDel;

            return iterator(pRet);
        }

        void clear()
        {
            Node* cur = _head->_next;
            
            // 采用头删除删除
            while (cur != _head)
            {
                _head->_next = cur->_next;
                delete cur;
                cur = _head->_next;
            }

            _head->_next = _head->_prev = _head;
        }

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

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

///
// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const bite::list<T>& l)
{
    auto it = l.begin();
    while (it != l.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }

    cout << endl;
}

4.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)，插入是有可能需要增容；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，缓存利用率高底层结点动态开辟，小结点容易造成内存碎片，缓存利用率低迭代器原生态指针对原生态指针（结点指针）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，使原来迭代器失效，删除时，当前迭代器需要迭代器重新赋值否则会失效插入元素不好导致迭代器失效，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

感谢