stl_list类（使用+实现）（C++）
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;
}
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 四、vector 和 list 对比
| vector | list | |
|---|---|---|
| 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：
- 原生态指针，比如：vector
- 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）
- 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。
- 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。
- 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
(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;
}
