深入浅出C++ ——list深度剖析
文章目录
- 一、list类简介
- 二、list类常用接口
-
- 1. list类的默认成员函数
- 2. list类的迭代器及遍历操作
- 3. list类的容量操作
- 4. list类的元素访问
- 5. list类的修改操作
- 三、list的迭代器失效
- 四、STL中list类模拟实现
- 五、list与vector的对比
一、list类简介
- list是可以在常数范围**(o(1))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。
以上内容来自：www.cplusplus.com list类文档的介绍，在STL的学习中，推荐大家看这个文档，对每个类都有详细的介绍。
二、list类常用接口
1. list类的默认成员函数
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| 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 (InputIterator first, InputIterator last) | 用[first, last)区间中的元素构造list |
| list (const list& x) | 拷贝构造函数 |
| list& operator= (const list& x); | 赋值运算符重载 |
list类默认成员函数应用
list<int> l1(5, 50); // l1中放5个值为50的元素
list<int> l2; //构造空的l2
list<int> l3(l1.begin(), l1.end()); // 用l1的[begin(), end())左闭右开的区间构造l3
list<int> l4(l3); // 用l3拷贝构造l4
l2 = l4;
int array[] = { 16,2,77,29 }; // 以数组为迭代器区间构造l5
list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
list<int> l6{ 1,2,3,4,5 }; // C++11支持列表格式初始化
2. list类的迭代器及遍历操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| 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 |
| 范围for | C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式 |
- begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
- 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
- C++不支持operator[ ]，不允许按照下标访问。
- 在g++编译代码时，要加
g++ test.cpp -std=C++11才能使用C++11中的范围for。
list类的三种遍历方式
// 遍历方式1
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
// list::reverse_iterator rit = l.rbegin();
auto rit = l.rbegin();
while (rit != l.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
//const迭代器
list<int> l = { 16,2,77,29 };
// 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; cosnt修饰(*it)不能被改变,编译不通过
}
// 遍历方式2
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
3. list类的容量操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| 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 |
值得注意的是，list 容器没有 reserve 扩容的概念。
list类的容量操作应用
list<int> l = { 16,2,77,29 };
cout << l.empty() << endl; //0
cout << l.size() << endl; //4
4. list类的元素访问
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| 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 |
list虽然不支持operator[ ]下标访问，但是可以通过front和back函数接口返回list中第一个和最后一个节点的数值。
list类的元素访问应用
list<int> l = { 16,2,77,29 };
cout << l.front() << endl; //16
cout << l.back() << endl; //29
5. list类的修改操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| 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 位置前 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 |
- 尽量使用list容器中的swap接口，而不使用算法库中的，因为算法库中的swap函数涉及拷贝构造和赋值重载，效率低。
- list不支持用sort排序，因为sort排序底层使用的是快速排序，快速排序要求容器迭代器必须得是随机迭代器，而sting和vector支持使用算法库中的sort排序
list类的修改操作应用
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);
// 删除list尾部节点和头部节点
L.pop_back();
L.pop_front();
// 获取链表中第二个节点
auto pos = ++L.begin();
cout << *pos << endl; //2
// 在pos前插入值为4的元素
L.insert(pos, 4);
// 在pos前插入5个值为5的元素
L.insert(pos, 5, 5);
// 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());
// 删除pos位置上的元素
L.erase(pos);
// 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());
// 交换l1和l2中的元素
list<int> L1;
L1.swap(L);
// 将l2中的元素清空
L.clear();
cout << L.size() << endl;//0
三、list的迭代器失效
迭代器类似于指针，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的迭代器失效案例
list<int> l= { 16,2,77,29 };
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
l.erase(it);
++it;
}
上述代码中，因为erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，erase返回值指向删除元素的下一个元素，因此在下一次使用it时，必须先给其赋值。
正确写法：
list<int> l= { 16,2,77,29 };
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
it = l.erase(it);
}
四、STL中list类模拟实现
namespace MyList
{
// List的节点类
template<class T>
struct _list_node //用sruct好处就是默认成员都是公有的，代表可以随便访问
{
_list_node(const T& val = T()) //构造T的匿名对象传过去，T()作为缺省值
:_val(val)
, _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
{}
T _val;
_list_node<T>* _next;
_list_node<T>* _prev;
};
/*
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!=()
*/
// typedef _list_iterartor iterator;
// typedef _list_iterartor const_iterator;//第一个参数传const T还是T都一样，因为都是operator*()控制的
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct _list_iterartor
{
typedef _list_node<T> node;
typedef _list_iterartor<T, Ref, Ptr> self; //self 就是_list_iterartor 迭代器这个类
// 构造
_list_iterartor(node* pnode = nullptr)
:_pnode(pnode)
{}
// 拷贝构造、operator=、析构我们不写，编译器默认生成就可以用，我们希望就是浅拷贝
// T& operator*() iterator
// const T& operator*() const_iterator
// 用Ref来接受T&或者const T&控制operator*()的返回值，影响const对象和普通对象调用的可读可写权限
//Ref时类模板的第二个参数，传过来是T&返回的就是T&，传过来是const T&返回就是const T&
Ref operator*()
{
return _pnode->_val;
}
//用Ptr来接受T*或者const T*
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
// 迭代器移动
// ++it -> it.operator++(&it)
self& operator++()
{
_pnode = _pnode->_next;
return *this;
}
// it++ -> it.operator++(&it, 0)
self operator++(int) //tmp是临时对象，不能用引用返回了
{
self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_next;
return tmp;
}
self& operator--()
{
_pnode = _pnode->_prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_prev;
return tmp;
}
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const self& s) const
{
return _pnode != s._pnode;
}
bool operator==(const self& s) const
{
return _pnode == s._pnode;
}
//成员变量————的节点指针
node* _pnode; //_list_node* _pnode
};
template<class T>
class list
{
typedef _list_node<T> node;
public:
typedef _list_iterartor<T, T&, T*> iterator;
typedef _list_iterartor<T, const T&, const T*> const_iterator;
//默认成员函数
list()
{
//new 一个节点出来，头尾都指向自己作为哨兵位
//也可以使用 _head = new node(T()); //构造T的匿名对象传过去，T()作为缺省值
_head = new node; //在_list_node的构造函数中调用默认构造，默认构造给缺省值
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
// copy(lt)
list(const list<T>& lt)
{
//new 一个哨兵位出来
_head = new node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
//依次取数据尾插，这里最好使用引用传值，避免深拷贝时效率低
for (const auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(_head, lt._head);
return *this;
}
~list()
{
//先把list清空，在释放哨兵位，置空
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
list类的迭代器及访问遍历操作/
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
list类的容量操作/
bool empty() const
{
return begin() == end();
}
size_t size() const
{
size_t sz = 0;
iterator it = begin();
while (it != end())
{
++sz;
++it;
}
return sz;
}
list类的元素访问/
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类的修改操作/
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;
//insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos._pnode);
node* cur = pos._pnode;
node* prev = cur->_prev;
node* newnode = new node(x);
// prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
return newnode;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos._pnode);
assert(pos != end());
node* prev = pos._pnode->_prev;
node* next = pos._pnode->_next;
delete pos._pnode;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
return iterator(next);//返回下一个位置的迭代器
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
//it = erase(it);
erase(it++);
}
}
//list类的成员变量是哨兵位节点指针
private:
node* _head; // _list_node* _head
};
}
list迭代器的模拟实现
在物理空间连续的string类和vector类中，原生指针可以做迭代器，但是在list等物理空间不连续的类中，原生节点指针(Node*)已经无法完成迭代器的功能。 所以用_list_iterartor去封装Node*，重载这个类的operator *和operator++等运算符，去模拟指针一样的访问行为。有了这样的方式，就不需要关心容器的底层结构是数组还是链表或者其他结构。封装隐藏了底层的细节，让我们可以用简单统一的方式访问修改容器，这也是迭代器的真正价值。
五、list与vector的对比
| vector | list | |
|---|---|---|
| 底 层 结 构 | 动态顺序表 | 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 |