【C++】list 迭代器详解和模拟实现
1. list介绍
list文档介绍
- 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。
- 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。
- 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。
- 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
- 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，比如：要访问list 的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素）。
2. list的使用
2.1 list的构造函数
| 构造函数（ (constructor)） | 接口说明 |
| 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 |
2.2 list capacity
| 函数声明 | 接口说明 |
| empty | 检测list是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回list中有效节点的个数 |
2.3 list element access
| 函数声明 | 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 |
2.4 list 增删查改
| 函数声明 | 接口说明 |
| 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 位置中插入值为val的元素 |
| erase | 删除list position位置的元素 |
| swap | 交换两个list中的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |
注意：
- list的物理结构不像vector或string是连续的物理空间，它是由一个个随机节点地址连接起来的，所以list不支持随机访问，自然也不支持 [] 下标访问。
- list开空间不用 reserve 操作，因为list的节点是使用时开辟，使用完即销毁，不能预留空间。
2.5 list特殊接口
| 函数声明 | 接口声明 |
| splic | 将 list 中的元素转移到另一个list中 |
| remove | 移除 list 中的指定元素 |
| unique | 链表去重 |
| merge | 合并两个链表 |
| sort | 链表排序 |
| reserve | 链表逆置 |
注意：
- 链表排序只能使用list提供的 sort 接口，而不能使用algorithm 提供的 sort 接口，因为链表的物理地址不连续，迭代器为双向迭代器，不支持 + - 操作，而算法库中的 sort 接口需要支撑 + - 的随机迭代器；
- unique 在使用之前必须要保证链表有序，否则去重不完整；
- 两个有序链表合并之后仍然有序；
- 虽然list 提供了这些特殊接口，在一些情况下的确有些用，但在实际中的使用率非常低，包括sort接口。
3. list 排序性能分析
这里对 list 和 vector 分别在vs和Linux的编译器下插入相同的元素进行排序对比，通过比较来深刻了解这两种容器在排序性能上的差别，可以帮助我们更直观地感受两种容器的区别，以便更好的使用它们。
1. vector排序和 list 排序对比
void test_op1()
{
srand((size_t)time(0));
const int N = 5000000; //500万个数据
vector v;
v.reserve(N);
list lt;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
auto e = rand();
v.push_back(e);
lt.push_back(e);
}
//vector sort
int begin1 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();
//list sort
int begin2 = clock();
lt.sort();
int end2 = clock();
printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
} 
2. list排序与把 list 的数据拷贝到 vector 上排序后，再将数据拷贝回list 中
void test_op2()
{
srand(time(0));
const int N = 5000000; //500万个数据
list lt1;
list lt2;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
auto e = rand();
lt1.push_back(e);
lt2.push_back(e);
}
//list sort -- lt1
int begin1 = clock();
lt1.sort();
int end1 = clock();
// 将数据拷贝到vector中排序，排完以后再拷贝回来 -- lt2
int begin2 = clock();
vector v;
v.reserve(N);
for (auto e : lt2) //拷贝
{
v.push_back(e);
}
sort(v.begin(), v.end()); //排序
lt2.assign(v.begin(), v.end()); //拷贝
int end2 = clock();
printf("vector copy sort:%d\n", end2 - begin2);
printf("list sort:%d\n", end1 - begin1);
} 
通过对比我们可以看到，list sort 的效率要远低于 vector sort，甚至可以说，使用list sort 还不如把 list 的数据拷贝到vector中进行排序，然后使用vector sort排序后，再将数据拷贝到 list 中快。
4. list 迭代器
4.1 迭代器的分类
按照迭代器的功能，迭代器一共可以分为三类：
- 单向迭代器 – 迭代器仅仅支持 ++ 和解引用操作，单链表的迭代器是典型的单向迭代器；
- 双向迭代器 – 迭代器支持 ++、-- 和解引用操作，但不支持 +、- 操作，list (双向带头循环链表) 是典型的双向迭代器；
- 随机迭代器 – 迭代器不仅支持 ++、-- 和解引用操作，还支持 +、- 操作，即迭代器能够随机访问，我们前面学习的 string 和 vector 的迭代器是典型的随机迭代器。
4.2 迭代器失效问题
- 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。
void TestListIterator1()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给
其赋值
l.erase(it);
++it;
}
}
// 改正
void TestListIterator()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
l.erase(it++); // it = l.erase(it);
}
}
5. 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：
| 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 |
| 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 |
| 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，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 比特就业课 机访问 |
6. list 模拟实现
namespace my_list
{
template
struct list_node
{
list_node* prev;
list_node* next;
T _date;
list_node(const T& x)
:prev(nullptr)
, next(nullptr)
, _date(x)
{}
};
//同一个类模板实例化出的两个类型，便于实现const版本和非const版本
//STL源代码中的写法，通过利用多个模板参数来避免副本造成的代码冗余问题
template
struct __list_iterator
{
typedef list_node Node;
typedef __list_iterator iterator;
//节点指针作为类的唯一成员变量
Node* _pnode;
__list_iterator(Node* p)
:_pnode(p)
{}
Ptr operator->()
{
return &_pnode->_date;
}
Ref operator*()
{
return _pnode->_date;
}
//++it
iterator& operator++()
{
_pnode = _pnode->next;
return *this;
}
//it++
iterator operator++(int)
{
}
//--it
iterator& operator--()
{
_pnode = _pnode->prev;
return *this;
}
bool operator!=(const iterator& it)const
{
return _pnode != it._pnode;
}
bool operator==(const iterator& it)const
{
return _pnode == it._pnode;
}
};
template
//普通类 类名 等价于 类型
//类模板 类名 不等价于 类型
//如：list模板 类名：list 类型:list
// 类模板里面可以用类名代表类型，但是建议不要那么用,主要是养成好习惯，提高代码的可读性
class list
{
public:
typedef list_node Node;
typedef __list_iterator iterator;
typedef __list_iterator const_iterator;
iterator begin()
{
return _head->next;
}
const_iterator begin()const
{
return _head->next;
}
const_iterator end()const
{
return _head;
}
iterator end()
{
return _head->prev;
}
//把头结点初始化单独写一个函数，提高代码的可维护性
void emptyInit()
{
_head = new Node(T());
_head->prev = _head;
_head->next = _head;
_size = 0;
}
list()
{
emptyInit();
}
//拷贝构造现代写法
template
list(Input_iterator first, Input_iterator last)
{
emptyInit();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
void swap(list& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
list(const list& lt)
{
emptyInit();
list tmp(lt.begin(), lt.end());
swap(tmp);
}
list& operator=(list lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
size_t size()const
{
return _size;
}
bool empty()const
{
//return _head->next == _head;
return _size = 0;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
_size = 0;
}
//头插
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
//头删
void pop_front()
{
erase(begin());
}
//尾删
void pop_back()
{
erase(end());
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
//获取删除位置的下一个位置
//防止迭代器失效
it = erase(it);
}
}
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;
++_size;
//insert(end(),x);
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* newNode = new Node(x);
Node* cur = pos._pnode;
Node* prev = cur->prev;
prev->next = newNode;
newNode->prev = prev;
newNode->next = cur;
cur->prev = newNode;
++_size;
return iterator(newNode);
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* prev = pos._pnode->prev;
Node* next = pos._pnode->next;
prev->next = next;
next->prev = prev;
delete pos._pnode;
--_size;
return iterator(next);
}
private:
Node* _head;//链表的哨兵头
size_t _size;//方便统计链表的长度
};
}