【C++】List -- 详解
一、list的介绍及使用
https://cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list
- 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，不支持尾插、尾删，对比双向链表的唯一优势就是每个节点少存一个指针。
- 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）。
1、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）list的构造
// list的构造
void TestList1()
{
list l1; // 构造空的l1
list l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素
list l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end())左闭右开的区间构造l3
list l4(l3); // 用l3拷贝构造l4
// 以数组为迭代器区间构造l5
int array[] = {16, 2, 77, 29};
list l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
// 列表格式初始化C++11
list l6{1, 2, 3, 4, 5};
// 用迭代器方式打印l5中的元素
list::iterator it = l5.begin();
while (it != l5.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// C++11范围for的方式遍历
for (auto& e : l5)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
} （2）list iterator的使用
可以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。
// list迭代器的使用
void PrintList(const list& l)
{
// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象
for (list::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
// *it = 10; // 不能改变该值 -- 编译不通过
}
cout << endl;
} void TestList2()
{
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
list l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 使用正向迭代器正向list中的元素
// list::iterator it = l.begin(); // C++98中语法
auto it = l.begin(); // C++11之后推荐写法
while (it != l.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;
} 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for。
【注意】
- 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。
（3）list capacity
（4）list element access
（5）list modifiers
// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{
int array[] = {1, 2, 3};
list L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
L.push_back(4); // 在list的尾部插入4
L.push_front(0); // 在list的头部插入0
PrintList(L);
L.pop_back(); // 删除list尾部节点
L.pop_front(); // 删除list头部节点
PrintList(L);
} // insert /erase
void TestList4()
{
int array1[] = {1, 2, 3};
list L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
auto pos = ++L.begin(); // 获取链表中第二个节点
cout << *pos << endl;
L.insert(pos, 4); // 在pos前插入值为4的元素
PrintList(L);
L.insert(pos, 5, 5); // 在pos前插入5个值为5的元素
PrintList(L);
vector v{7, 8, 9};
L.insert(pos, v.begin(), v.end()); // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
PrintList(L);
L.erase(pos); // 删除pos位置上的元素
PrintList(L);
L.erase(L.begin(), L.end()); // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
PrintList(L);
} // resize/swap/clear
void TestList5()
{
// 用数组来构造list
int array1[] = {1, 2, 3};
list l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
PrintList(l1);
list l2;
l1.swap(l2); // 交换l1和l2中的元素
PrintList(l1);
PrintList(l2);
l2.clear(); // 将l2中的元素清空
cout << l2.size() << endl;
} 为什么 C++98 建议使用各自容器里的 swap，而不建议使用算法里的 swap？
可以看到算法里 swap 的 C++98 的实现，无论是 string、vector、list 使用它会涉及深拷贝问题，而且这里的深拷贝代价极大，需要深拷贝 3 次 —— 当 l1 和 l2 交换，这里会把 l1 拷贝构造一份 c，然后把 l2 赋值于 l1，c 赋值于 l2，完成交换。
而如果是容器里的 swap，需要交换 l1 和 l2，只需要头指针交换即可。假设是 vector，只要把 l1 和 l2 对应的 _start、_finish、_endofstorage 交换即可。相比算法里的 C++98 里的 swap，这里可以认为没有任何代价。
（6）list的迭代器失效
先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);
}
} 
⚪【补充】
容器迭代器的分类：
- 使用功能的角度可分为，(正向、反向) + const
- 容器底层结构的角度可分为，单向、双向、随机
比如单链表迭代器、哈希表迭代器就是单向，特征是能 ++，不能 --；双向链表迭代器、map 迭代器就是双向，特征是能 ++、–；string、vector、deque 迭代器就是随机迭代器，特征是能 ++、–、+、-，一般随机迭代器底层都是一个连续的空间。
二、list的模拟实现
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。
#pragma once
#include
using namespace std;
#include
namespace xyl
{
// List的节点类
template
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
: _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
, _val(val)
{}
ListNode* _prev;
ListNode* _next;
T _val;
};
template
class ListIterator
{
typedef ListNode Node;
typedef ListIterator Self;
// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器的时候需要用到
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 temp(*this);
_node = _node->_next;
return temp;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
_node = _node->_prev;
return temp;
}
// 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 ReverseListIterator
{
// 注意：这里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 Self;
public:
// 构造
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 list
{
typedef ListNode Node;
public:
// 正向迭代器
typedef ListIterator iterator;
typedef ListIterator const_iterator;
// 反向迭代器
typedef ReverseListIterator reverse_iterator;
typedef ReverseListIterator 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
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list& l)
{
CreateHead();
// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换
list temp(l.begin(), l.end());
this->swap(temp);
}
list& operator=(list 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
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
// List的删除
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(bite::list& l)
{
std::swap(_head, l._head);
}
private:
void CreateHead()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
Node* _head;
};
}
// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
template
void PrintList(const xyl::list& l)
{
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
// 测试List的构造
void TestBiteList1()
{
xyl::list l1;
xyl::list l2(10, 5);
PrintList(l2);
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
xyl::list l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
PrintList(l3);
xyl::list l4(l3);
PrintList(l4);
l1 = l4;
PrintList(l1);
}
// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{
// 测试PushBack
xyl::list l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
PrintList(l);
// 测试PopBack
l.pop_back();
l.pop_back();
PrintList(l);
l.pop_back();
cout << l.size() << endl;
// 测试PushFront
l.push_front(1);
l.push_front(2);
l.push_front(3);
PrintList(l);
// 测试PopFront
l.pop_front();
l.pop_front();
PrintList(l);
l.pop_front();
cout << l.size() << endl;
}
// 测试insert和erase
void TestBiteList3()
{
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
xyl::list 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};
xyl::list l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
auto rit = l.rbegin();
while (rit != l.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
const xyl::list cl(l);
auto crit = l.rbegin();
while (crit != l.rend())
{
cout << *crit << " ";
++crit;
}
cout << endl;
} 【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：
- 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) 。
- 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 -- 。
- 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、list的反向迭代器
通过前面我们可以知道，反向迭代器的 ++ 就是正向迭代器的 --，反向迭代器的 -- 就是正向迭代器的 ++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即： 反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。
template
class ReverseListIterator
{
// 注意：这里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 Self;
public:
// 构造
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;
}; 三、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：
