STL 上头系列——list 容器详解

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list

我们都知道C++ 容器机制本质上就是一个封装思想，string 是对字符串数组的封装，而 vector 是对支持动态开辟的顺序表的封装，今天的 list 也不例外他是对双向带头循环链表的封装。

这种结构的优点就在于支持双向迭代，允许常数范围内任意位置的插入与删除，在插入删除操作上效率高，但是缺陷也和双向带头循环链表一样，不支持下标的随机访问。

list 的构造函数声明如下：

list<int>a{1,2,3,4,5}
list<int>a(n)    //声明n个元素，每个元素默认为0
list<int>a(n, a)  //声明n个元素，每个元素都是a
list<int>a(iterator.begin, iterator.end)  //声明区间所指定的序列中的元素来自该区间，begin 和 end 是该区间的迭代器

list 遍历

list 迭代器通过调用容器的成员函数 begin() 得到一个指向容器起始位置的 iterator，end() 函数来得到 list 端的下一位置,我们可以使用迭代器对 list 进行遍历。

list<int>::iterator it = list.begin();
	while (it != list.end())
	{
		*it += 1;
		cout << *it <<" ";
		it++;
	}

当然也可以直接简单粗暴的范围 for 搞定：

for (auto& e : list)
	{
		cout << e << " ";
	}

list 迭代器

因为 list 是链表结构，他自然不可以和 vector 一样优越的使用下标进行访问，我们仍然采用迭代器形式进行访问，他和 vector 的迭代器又有不同， vector，string 属于随机迭代器，而 list 是双向迭代器，目前的迭代器种类有 5 种：输入迭代器、输出迭代器、正向迭代器、双向迭代器、随机访问迭代器；同时也支持 rbegin() 与 rend() 的反向迭代器（也支持自己定义）。

我们自己在定义 list 迭代器时，由于数据类型的不同，我们需要定义出两种迭代器：普通迭代器和 const 迭代器，因为 const 数据类型只能由 const 迭代器进行访问。

普通迭代器非常简单：

同样的规则我们只需要将 iterator begin（）和 iterator end（）语句后加上 const再次定义出来即可。

但是！问题来了，既然考虑到了数据类型是否为 const 类型，那如果是指针类型或者引用类型时又该怎么办呢？

这时不要慌，思路很简单就是在模板+函数重载，包含进引用类型和指针类型即可：

template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_itrator
{
   typedef list_node<T> Node;
   typedef __list_itrator <T,T*,T&> iterator;
   Node* node;
   Ref operator*()
   {
      return node->data;
   }//重载 & 返回到 Ref 引用类型
   Ptr operator*()
   {
      return &node->data;
   }//重载 * 返回到 Ptr 指针类型
}

const 迭代器同理 const 修饰即可。

迭代器失效

list 和 vector 一样存在迭代器失效机制，但是和 vector 相比 list 情况要简单一些，删除节点后，只有指向当前节点的迭代器失效了，其前后的迭代器仍然有效，因为底层为不连续空间，只有被删除的节点才会失效。大体上的情况和解决办法参考 vector 一文 ：STL 上头系列——vector 容器详解

性能对比

list 拥有一段不连续的内存空间，如果需要大量的插入和删除，使用 list 可以进行高效的操作，对比 vector 和 list，vector在尾部插入数据时不需要移动数据，list为双向循环链表也很容易找到尾部，因此两者在尾部插入数据效率相同，vector头部插入效率极其低，需要移动大量数据，正是由于在头部插入数据效率很低，所以没有提供 push_front 的方法，但是 list 相对独立的个体并不存在这种问题，因此 list 可轻松实现 push_back 和 push_front 。

总结一下：

vector 优点：

1. 适合尾插尾删，随机访问，CPU缓存命中率高

缺点：

1. 不适合头部和中部的插入删除，需要挪动数据效率低
2. 扩容有一定性能消耗，可能存在一定程度的空间浪费

list优点：

1. 任意位置插入删除效率高 （ O(1) ）
2. 支持动态开辟，按需申请释放空间

缺点：

1. 不支持随机访问
2. CPU缓存命中率低

list 实现

namespace bite
{
  // List的节点类
  template<class T>
  
  struct ListNode
  {

    ListNode(const T& val = T()): _pPre(nullptr), _pNext(nullptr), _val(val)
    {}
    ListNode<T>* _pPre;

    ListNode<T>* _pNext;

    T _val;

  };
  //List的迭代器类

  template<class T, class Ref, class Ptr>

  class ListIterator

  {

    typedef ListNode<T>* PNode;

    typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

  public:

    ListIterator(PNode pNode = nullptr):_pNode(pNode)
    {}
    ListIterator(const Self& l): _pNode(l._pNode)
    {}

    T& operator*()
    {
      return _pNode->_val;
    }
    
    T* operator->()
    {
      return &*this;
    }
    
    Self& operator++()
    {
      _pNode = _pNode->_pNext;
      return *this;
    }

    Self operator++(int)
    {
      Self temp(*this);
      _pNode = _pNode->_pNext;
      return temp;
    }

    Self& operator--()
    {
      _pNode = _pNode->_pPre;
      return *this;
    }

    Self& operator--(int)
    {
      Self temp(*this);
      _pNode = _pNode->_pPre;
      return temp;
    }

    bool operator!=(const Self& l)
    {
      return _pNode != l._pNode;
    }

    bool operator==(const Self& l)
    {
      return !(*this!=l);
    }

  private:
  
    PNode _pNode;
  };
  //list类

  template<class T>

  class list
  {
    typedef ListNode<T> Node;
    typedef Node* PNode;

  public:

    typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
    typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_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.cbegin(), l.cend());
      this->swap(temp);
    }

    list<T>& operator=(const list<T> l)
    {
      this->swap(l);
      return *this;
    }
    
    ~list()
    {
      clear();
      delete _pHead;
      _pHead = nullptr;
    }

    // List 迭代器

    iterator begin()
    {
      return iterator(_pHead->_pNext);
    }
    
    iterator end()
    {
      return iterator(_pHead);
    }

    const_iterator begin()const

    {
      return const_iterator(_pHead->_pNext);
    }

    const_iterator end()const
    {
      return const_iterator(_pHead);
    }

    // List 容量操作

    size_t size()const
    {
      size_t size = 0;
      ListNode *p = _pHead->_pNext;
      while(p != _pHead)
      {
        size++;
        p = p->_pNext;
      }
      return size;       
    }

    bool empty()const
    {
      return size() == 0;
    }
    
    // List 访问
    T& front()
    {
      assert(!empty());
      return _pHead->_pNext->_val;
    }
    const T& front()const
    {
      assert(!empty());
      return _pHead->_pNext->_val;
    }

    T& back()
    {
     assert(!empty());
      return _pHead->_pPre->_val;
    }

    const T& back()const
    {
      assert(!empty());
      return _pHead->_pPre->_val;
    }
    
    // List 修改

    void push_back(const T& val)
    {
      insert(begin(), 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)
    {
      PNode pNewNode = new Node(val);
      PNode pCur = pos._pNode;
      // 先将新节点插入
      pNewNode->_pPre = pCur->_pPre;
      pNewNode->_pNext = pCur;
      pNewNode->_pPre->_pNext = pNewNode;
      pCur->_pPre = 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
      PNode pDel = pos._pNode;
      PNode pRet = pDel->_pNext;
      // 将该节点从链表中拆下来并删除
      pDel->_pPre->_pNext = pDel->_pNext;
      pDel->_pNext->_pPre = pDel->_pPre;
      delete pDel;
      return iterator(pRet);
    }

    void clear()
    {
      iterator p = begin();
      while(p != end())
      {
        p = erase(p);
      }
    }

    void swap(List<T>& l)
    {
      pNode tmp = _pHead;
      _pHead = l._pHead;
      l._pHead = tmp;
    }

  private:

    void CreateHead()
    {
      _pHead = new Node;
      _pHead->_pPre = _pHead;
      _pHead->_pNext = _pHead;
    }

    PNode _pHead;
  };

}
 

今天就到这里吧，润了家人们。