【C++初阶】第十一篇——list（list常见接口的用法与介绍+list的模拟实现+list迭代器原理）

⭐️今天我先为大家介绍STL中的list容器，我会先介绍它的一些个常见接口以及用法，然后再模拟实现它，其中list的迭代器相比前两个容器的来说更为复杂，所以我会更加详细地介绍它，这样我们就能够比较深入地了解这个容器。
⭐️博客代码已上传至gitee：https://gitee.com/byte-binxin/cpp-class-code

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list的介绍

list的本质是一个带头的双向循环链表。

总结几点：

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。

list常见接口的介绍

list的构造函数

1. 无参构造： list()
2. 用n个值为val的元素构造： list (size_type n, const value_type& val = value_type())
3. 拷贝构造： list(const list& lt)
4. 用一段区间的元素构造list： list (InputIterator first, InputIterator last)

实例演示

void TestList1()
{
	list<int> lt1;// 无参构造
	list<int> lt2(10, 5);// 用n个val构造一个list对象
	list<int> lt3(lt2);// 拷贝构造
	list<int> lt4(lt2.begin(), lt2.end());// 用一段区间的元素构造list

	cout << "lt1:";
	PrintList(lt1);

	cout << "lt2:";
	PrintList(lt2);

	cout << "lt3:";
	PrintList(lt3);

	cout << "lt4:";
	PrintList(lt4);
}

代码运行结果如下：

list中迭代器

1. .begin + end： 获取第一个数据位置的iterator/const_iterator， 获取最后一个数据的下一个位置
   的iterator/const_iterator
2. rbegin + rend： 获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator
   

list的迭代器遍历

实例演示

void TestList2()
{
	list<int>lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);

	lt.push_front(0);
	lt.push_front(-1);
	lt.push_front(-2);

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

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

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

代码运行结果如下：

list的增删查改

1. push_back: 尾插
2. pop_back: 尾删
3. push_front: 头插
4. pop_front: 头删
5. insert: 在pos位置插入一个元素
6. erase: 删去pos位置的一个元素
7. swap: 交换两个list中的元素
8. clear: 清理list的有效元素

实例演示

void TestList3()
{
	list<int>lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_front(0);
	lt.push_front(-1);
	lt.push_front(-2);

	cout << "删除前：";
	PrintList(lt);

	lt.erase(lt.begin());
	cout << "删除后：";
	PrintList(lt);

	lt.insert(lt.begin(), 0);
	cout << "插入一个数据后：";
	PrintList(lt);
}

代码运行结果如下：

list的大小和头尾元素的读取

1. empty 判断容器是否为空
2. size 获取容器有效节点的个数
3. front 返回list的第一个节点的元素
4. back 返回list的最后一个节点元素

list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。

两种情况测试

1. 插入

void TestList4()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));

	list<int>::iterator it = lt.begin();

	lt.insert(it, 3);
}

代码运行结果如下：

2. 删除

void TestList4()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));

	list<int>::iterator it = lt.begin();

	while (it != lt.end())
	{
		lt.erase(it);
		++it;
	}
}

代码运行结果如下：

总结： 插入数据不会导致迭代器失效，删除数据会导致迭代器失效。相比vector容器，vector容器插入数据是会导致迭代器失效，因为vector涉及增容问题，而list却不存在增容问题，所以迭代器指向的位置是有效的。删除数据会导致迭代器指向的位置是无效的，所以迭代器会失效。

修改后的代码如下：

void TestList4()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));

	list<int>::iterator it = lt.begin();

	//lt.insert(it, 3);
	while (it != lt.end())
	{
		it = lt.erase(it);
	}
}

list的模拟实现

list的整体框架

list是由节点组成，所以定义一个节点的类，然后list的类中成员只需要一个头结点的指针即可。

template<class T>
struct __list_node
{
	__list_node<T>* _prev;
	__list_node<T>* _next;
	T _data;
	__list_node(const T& x = T())
		:_next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		, _data(x)
	{}
};
template<class T>
class list
{
	typedef __list_node<T> Node;
public:
private:
	Node* _head;
};

list的构造函数

构造函数要做的任务就是开一个头结点，所以我们可以封装出一个具体的函数来实现创建头结点的这个过程。

创建头结点：

void CreatHead()
{
	_head = new Node;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}

构造函数的实现：

list()
{
	CreatHead();
}

list的迭代器的实现

list相比vector的迭代器而言，不再是一个简单的指针，它相对而言更复杂一些，list的迭代器为了实现一些简单的功能，我们把它封装成了一个类。看下面源码实现：

我们自己来模拟实现一下简单的。
迭代器的小框架（里面有一个成员变量——节点指针）

struct __list_iterator
{
	typedef __list_node<T> Node;
	__list_iterator(Node* node = nullptr)
		:_node(node)
	{}
	Node* _node;
}

由于迭代器分普通迭代器和const 迭代器，为了不造成代码冗余，我们设计出来三个模板参数，根据传入的模板参数确定是那种迭代器。

迭代器的实现

// __list_iterator  ->  普通迭代器
// __list_iterator  ->  const迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef __list_node<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
	Node* _node;
	__list_iterator(Node* node = nullptr)
		:_node(node)
	{}
	__list_iterator(const Self& l)
		:_node(l._node)
	{}
	// *it  T&
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	// it->  T*
	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}
	Self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	Self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	Self operator++(int)
	{
		Self tmp(*this);
		//_node = _node->_next;
		++(*this);

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

		return tmp;
	}
	Self operator+(int count)
	{
		Self tmp(*this);
		while (count--)
		{
			++tmp;
		}

		return tmp;
	}
	Self operator-(int count)
	{
		Self tmp(*this);
		while (count--)
		{
			--tmp;
		}

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

我们还要在list里面做这样一个操作（堆两种迭代器进行重命名，方便我们认识）：

typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;// 普通迭代器
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;// const迭代器

list内部begin()和end()的实现（普通迭代器调用前两个，const迭代器调用后两个）

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);
}

list的增删查改的实现

这里几个接口其实我们再之前数据结构的时候都实现过，比较简单

1. push_back 这里的操作和我们之前数据结构中实现双链表的操作是一样的，我们只需要先开一个节点，然后再改变几个节点指针的指向就好了

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;
}

2. pop_back

void pop_back()
{
	assert(_head != _head->_next);
	Node* tail = _head->_prev;
	Node* prevTail = tail->_prev;
	delete tail;
	tail = prevTail;

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

3. push_front

void push_front(const T& x)
{
	Node* newnode = new Node(x);
	Node* firstNode = _head->_next;

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

4. pop_front

void pop_front()
{
	assert(_head->_next != _head);
	Node* firstNode = _head->_next;
	Node* secondNode = firstNode->_next;

	delete firstNode;
	firstNode = nullptr;

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

5. insert 在pos位置插入元素，首先要检测pos位置的有效性

void insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;

	Node* newnode = new Node(x);

	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
}

注意，为了提高代码的复用性，push_front和push_back都可以复用insert

void push_back(const T& x)
{
	insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
	insert(begin(), x);
}

6. erase 删去pos位置的元素，同样要判断list是否为空

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(_head->_next != _head);
	assert(pos != end());

	Node* node = pos._node;
	Node* prev = node->_prev;
	Node* next = node->_next;

	delete node;
	node = nullptr;

	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;

	return iterator(next);
}

同样地，为了提高代码的复用性，pop_front和pop_back都可以复用erase

void pop_back()
{
	erase(end() - 1);
}
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

7. front 返回第一个节点的元素

T front()
{
	assert(_head->_next != _head);
	return _head->_next->_data;
}

8. back 返回最后一个节点的元素

T back()
{
	assert(_head->_next != _head);
	return _head->_prev->_data;
}

list中的析构函数和clear

1. clear 通过迭代器遍历，一个一个的删除节点

void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);
	}
}

2. 析构函数 可以先调用clear函数清理空间，然后再delete掉头结点

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

拷贝构造和operator=赋值重载

1. 拷贝构造

list(const list<T>& lt)
{
	CreatHead();
	/*const_iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		push_back(*it);
		++it;
	}*/
	for (auto e : lt)
		push_back(e);
}

2. operator= 直接利用swap和形参交换，形参会自己调用析构函数清理空间

list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	if (this != &lt)// 防止自己给自己赋值
	{
		swap(lt);
	}

	return *this;
}

swap函数实现如下：

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

list和vector对比

这里对比和之前数据结构中顺序表和单链表的对比是一样的，如下：

	vector	list
底层结构	动态顺序表，一段连续的空间	带头双向循环链表
随机访问	支持，时间复杂度是O(1)	不支持，时间复杂度是O(N)
插入和删除	效率低，时间复杂度是O(N)	效率高，时间复杂度是O(1)
空间利用率	底层是连续的空间，不容易造成内存碎片化	底层动图开辟，小结点容易造成内存碎片，空间利用率低
迭代器	原生指针	堆原生态指针进行封装
迭代器失效	插入和删除都会造成，所以最后每次操作后堆迭代器重新赋值	插入数据不会，删除数据会造成迭代器失效
使用场景	需要高存储效率，支持随机访问，不关心插入删除效率	大量插入删除操作，不关心随机访问

总结

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