c++中的list容器讲解

1. list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list的文档介绍

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。
5. 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)

1.2 list的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展
的能力。以下为list中一些常见的重要接口。

1.2.1 list的构造

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

1.2.2 list iterator的使用

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。

函数声明	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
rebegin +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

【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

1.2.3 list capacity

函数说明	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

1.2.4 list element access

函数说明	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

list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

1.2.6 list的迭代器失效

前面说过，此处大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，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。
list的各个接口代码，演示：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
#include
#include

using namespace std;

//list的构造
void constructor()
{
	/*list l1();*/
	list<int> l2(4, 100);
	list<int> l3(l2.begin(), l2.end());
	list<int> l4(l3);
	int array[5] = { 1,2,3,4,5 };
	list<int> l5(array, array+sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	list<int> l6{ 9,8,7,6,5,4 };
	
	// 用迭代器方式打印l5中的元素
	list<int>::iterator it = l5.begin();
	for (; it != l5.end(); ++it)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;

	for (auto e : l5)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}


// list迭代器的使用
// 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 << " ";
	}
	cout << endl;
	/*std::list mylist;
	for (int i = 1; i <= 5; ++i) mylist.push_back(i);

	std::cout << "mylist backwards:";
	for (std::list::reverse_iterator rit = mylist.rbegin(); rit != mylist.rend(); ++rit)
		std::cout << ' ' << *rit;

	std::cout << '\n';*/

}

void TestList2()
{
	int array[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	list<int> ls(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto e : ls)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test3()
{
	
	list<int> lt{ 9,8,7,6,5,4 };
	int sz = lt.size();
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	for (int i = 0; i < sz; ++i)
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{
	int array[] = { 1,2,3 };
	list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

	L.push_back(4);
	L.push_front(0);
	Printlist(L);
	L.pop_back();
	L.pop_front();
	Printlist(L);
}

void TestList4()
{
	int array1[] = { 1,2,3 };
	list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
	auto pos = ++L.begin();
	cout << *pos << endl;

	L.insert(pos, 5, 5);
	Printlist(L);

	vector<int> v{ 7,8,9 };
	L.insert(pos, v.begin(), v.end());
	Printlist(L);

	L.erase(pos);
	Printlist(L);
	L.erase(L.begin(), L.end());
	Printlist(L);
}

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;
}

void Testiterator()
{
	int array[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	list<int> l1(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l1.begin();
	while (it != l1.end())
	{
		l1.erase(it);
		++it;
	}
}

// 改正
void TestListIterator()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		l.erase(it++);//erase后it的所指的被删除位置的迭代器失效，通过it++来解决，
		//因为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
	}
}

int main()
{
	constructor();
	cout << endl;
	list<int> l1{ 1,2,3,45 };
	Printlist(l1);
	cout << endl;
	TestList2();
	cout << endl;
	test3();
	cout << endl;
	TestList3();
	cout << endl;
	TestList4();
	cout << endl;
	TestList5();
	cout << endl;
	//Testiterator();
	//cout << endl;
	TestListIterator();
	cout << endl;

	return 0;
}

2. list的模拟实现

2.1 模拟实现list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现
在我们来模拟实现list。
list.h

#pragma once
#include
#include

using namespace std;

namespace hcm
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode(const T& val = T())
			:_prev(nullptr)
			, _next(nullptr)
			, _val(val)
		{}

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

	template<class T,class Ref,class Ptr>
	class ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
	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 tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}
		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		Self& operator--(int)
		{
			Self& tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}
		// 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:
		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(hcm::list<T>& l)
		{
			std::swap(_head, l._head);
		}

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

}

template<class T>
void PrintList(const hcm::list<T>& l)
{
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

list.cpp

#include"list.h"

// 测试List的构造
void TestList1()
{
	hcm::list<int> l1;
	hcm::list<int> l2(10, 5);
	PrintList(l2);
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	hcm::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	PrintList(l3);
	hcm::list<int> l4(l3);
	PrintList(l4);

	l1 = l4;
	PrintList(l1);

}
// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{
	hcm::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(10);
	PrintList(lt);
	lt.pop_back();
	PrintList(lt);
	lt.push_front(0);
	PrintList(lt);
	lt.pop_front();
	PrintList(lt);

}

// 测试insert和erase
void TestBiteList3()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	hcm::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

	auto pos = l.begin();
	l.insert(l.begin(), 0);
	PrintList(l);

	++pos;
	l.insert(pos, 2);
	PrintList(l);

	l.erase(l.begin());
	l.erase(pos);
	PrintList(l);

	// pos指向的节点已经被删除，pos迭代器失效
	cout << *pos << endl;

	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		it = l.erase(it);
	}
	cout << l.size() << endl;
}

// 测试反向迭代器
void TestBiteList4()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	hcm::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

	auto rit = l.rbegin();
	while (rit != l.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	const hcm::list<int> cl(l);
	auto crit = l.rbegin();
	while (crit != l.rend())
	{
		cout << *crit << " ";
		++crit;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	TestList1();
	TestBiteList2();
	TestBiteList3();
	TestBiteList4();

	return 0;
}

运行结果如下：

3. 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	底层结构：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，不关心随机访问