【C++修炼秘籍】List深度剖析
【C++修炼秘籍】STL-List
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☀️专栏《C++修炼秘籍》
☀️作者：早凉
☀️如果有错误，烦请指正，如有疑问可私信联系；
目录
【C++修炼秘籍】STL-List
文章目录
前言
一、list介绍
二、list的使用/接口介绍
构造函数
list iterator的使用
list capacity
list element access
list modifiers
三、list模拟实现
结点定义
list类（构造函数和基本函数）
迭代器
增删查改
迭代器失效问题
拷贝构造
赋值运算符重载
size
有关类名和类型的问题
operator->
list和vector
总结
前言
相较于vector连续线性空间，list就显示的复杂很多，相较于vector，list既有优势也有缺点，两者并无好坏之分，只是各有其适用范围。首先，list的一个好处就是插入删除一个元素，就增加或释放一个元素空间，对空间的利用效率是极高的，对于任意位置的插入删除，list永远是O(1)的时间复杂度。
list和vector作为两个最常被使用的容器，什么时机去使用，也是一个比较复杂的问题，随着文章的深入，会慢慢对这个问题做出解答。
一、list介绍
//list node
template
struct __list_node {
typedef void* void_pointer;
void_pointer next;
void_pointer prev;
T data;
};
从标准模板库中我们观察链表结点，可以明显看出，list底层是带头双向循环链表，不支持随机访问
- 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。
- 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)
二、list的使用/接口介绍
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 |
list iterator的使用
| 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 |
| 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 |
迭代器就是一个类似于指针的行为，虽然底层实现不是原生指针。但是上层我们可以暂时理解如此。
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 |
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 |
list modifiers
| 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 |
三、list模拟实现
结点定义
这是模式实现的一个结点，其实我们使用class和struct均可，实现一个构造函数。
template
struct list_node{
T _val;
list_node*_prev;
list_node*_next;
list_node(const T& x)
:_prev(nullptr),
_next(nullptr),
_val(x){}
}; list类（构造函数和基本函数）
先暂时实现一个list类运行起来，这里其实是使用__list_iterator
template
class list{
public:
typedef list_node node;
typedef __list_iterator iterator;
//typedef __list_const_iterator const_iterator;
list()//默认构造函数
{
_head = new node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
template
list(InputIterator first, InputIterator last)//迭代器构造函数
{
empty_initialize();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
void push_back(T val)
{
//新建结点
node* NewNode = new node(val);
node* tail = _head->_prev;
tail->_next = NewNode;
NewNode->_prev = tail;
NewNode->_next = _head;
_head->_prev = NewNode;
}
void insert(iterator pos, T val)
{
}
private:
node*_head;
}; 迭代器
为什么这里要单独解析list的迭代器，在上文vector的迭代器我们使用的是原生指针，是因为vector是一块连续的线性空间，而list不保证结点空间连续，那么如何使得list的迭代器能像vector进行相同的上层操作，忽视底层细节，这是一个很大的问题。我们只有解决了迭代器问题才能解决模拟实现的大部分问题。
list::iterator it = It.begin();
while(it!=It.end())
{
cout<<*it<<" ";
++it;
} 其实这个类里面就是一个结点的指针，能够指向结点，在使用C++的运算符重载，就能实现类似++的效果；
1、内嵌类型定义在类里面
2、像指针一样，所指像指针一样：解引用和++/--（像指针一样的行为）
❓为什么迭代器不能用<,其实vector和string可以使<，但是list迭代器不能使用小于？
我们说了迭代器底层不是一个连续空间，虽然我们使用的++，--但是并不是表面上的样子；
这其实就是迭代器的价值，封装底层实现 ，让我们忽视底层细节，我们在使用其他STL库时，统一的访问形式降低了使用成本，迭代器默默承受了一切，但是当你实现迭代器你就发现，那有什么岁月静好，只是有人替你负重前行。
但是，我们学习要关注底层；接下来，让我们走进list迭代器的模拟实现！！
template
class __list_iterator//迭代器
{
typedef list_node node;
node* _pnode;
public:
__list_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
T& operator*()
{
return _pnode->_val;
}
bool operator != (__list_iterator& it)//参数一定加引用
{
return it._pnode != _pnode;
}
void operator++()//这里实现有些问题其实是应该携带返回值的，返回*this；
{
_pnode =_pnode->_next;
}
};
（const迭代器和普通迭代器的区别就是不可通过*it去修改值。）
如果只是如下这样是解决不了问题的；
// ++cit 这样的话，可以解引用，但是不能++ /*const T& operator*() const { return _pnode->_data; }*/
template
class __list_const_iterator
{
typedef list_node node;
node* _pnode;
public:
__list_const_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
const T& operator*()
{
return _pnode->_val;
}
bool operator != (__list_const_iterator& it)//参数一定加引用
{
return it._pnode != _pnode;
}
void operator++()//这里实现有些问题其实是应该携带返回值的，返回*this；
{
_pnode = _pnode->_next;
}
}; 我们单独实现了const_iterator的一个类但是，大佬之所以为大佬，就是代码的复用，能写出来常人难以形容的代码；这里简单复现一下：
template
class __list_iterator//迭代器
{
typedef list_node node;
typedef __list_iterator Self;
node* _pnode;
public:
__list_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
/*T& operator*()//我这里自己写的就很迷，
{
return _pnode->_val;
}*/
Ref& operator*()//返回值不同不构成重载而且不是const迭代器这里传回的返回值也不是const
{
return _pnode->_val;
}
bool operator != (const Self& it)//参数一定加引用
{
return it._pnode != _pnode;
}
Self& operator++()
{
_pnode =_pnode->_next;
return *this;
}
Self& operator--()
{
_pnode = _pnode->_prev;
return *this;
}
}; 增删查改
| insert | 在list position 位置中插入值为val的元素 |
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
node* NewNode = new node(val);
node* cur = pos._pnode;
node* pre = cur->_prev;
pre->_next = NewNode;
NewNode->_prev = pre;
NewNode->_next = cur;
cur->_prev = NewNode;
return iterator(pos);
}| erase | 删除list position位置的元素 |
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;
return iterator(next);
}| 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 |
void push_back(T val)
{
//新建结点
/* node* NewNode = new node(val);
node* tail = _head->_prev;
tail->_next = NewNode;
NewNode->_prev = tail;
NewNode->_next = _head;
_head->_prev = NewNode;*/
insert(end(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}我们看到大多数代码均是复用出来的，所以代码复用真的很好，要学会“偷懒”。还是那句话
❗️代码复用真的好好
迭代器失效问题
在vector中，insert和erase是失效的，但是在list迭代器中insert迭代器不失效；erase迭代器必然失效，空间结点都没了；
所以在erase后注意迭代器的使用；
拷贝构造
在拷贝构造前，先实现下析构函数，至于为什么，请看下文，实现拷贝构造去准备工作；
| clear | 清空list中的有效元素 |
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}其实这里就是我们要为什么先实现迭代器，实现了迭代器基本的模拟实现就完成了一半，还有一半，我认为是拷贝构造；
析构函数
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
报错了，如果把析构删掉，这段程序就通过了，所以要完成析构我们才能够正确的认识，这个默认的拷贝构造是一个浅拷贝，那就是同一块空间析构两次，大问题呀！
这里实现一个比较牛的写法，第一次见，我看不懂，但大受震撼！
void swap(list& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
}
list(const list& it)
{
empty_initialize();//这里如果不单独开辟一个空间就会出现问题
list tmp(it.begin(), it.end());//迭代器构造函数
swap(tmp);
} ❗️注意：empty_initialize();这个函数就是开辟一个头结点，这里如果不开头结点，交换给临时变量list，在析构时会默认存在头结点，所以会调用clear()，这时候对空访问会出才能问题。
赋值运算符重载
list& operator=(list lt)
//list& operator=(list lt) // 不建议
{
swap(lt);
return *this;
}
这真的很无敌，可能拷贝构造体现不出来，但是赋值运算符重载很无敌；
这里参数必须是传参而不是引用，直接调用拷贝构造；直接换；
size
| size | 返回list中有效节点的个数 |
size这个是比较麻烦的，如果你使用范围for进行遍历，一次可能效率还好，但是频繁size效率是让人难以忍受的；以空间换时间的方法，增加4个字节存储size；
这里还有一个问题，我们之前已经写了很多代码，如果加会不会很麻烦，实际上代码复用的好处就出现了，直接在复用的地方加就好；
有关类名和类型的问题
在类模板中，例如：list
在类中，类名就是类型，所以这样也没问题，但是不建议这么使用，我们只要知道有这个样子的事情就好了；
operator->
struct P
{
int _row;
int _col;
P(int row = 0, int col = 0)
:_row(row)
, _col(col)
{}
};如果说我们想打印一个结构化数据，会出现一些问题，
最好的解决方法是重载->
很怪很怪
T* operator->()
{
return &_pnode->_val;
}其实就是it.operator->()返回结点数据的地址，就是一个p*，但是p*怎么访问，其实就是一个it->->_row就是it.operator()->_row，但是写两个箭头，很让人无语，所以编译器为了可读性，给我们做了特殊处理。
❓这里又又有问题，如果是const呢？
struct P
{
int _row;
int _col;
P(int row = 0, int col = 0)
:_row(row)
, _col(col)
{}
};
void print_list(const my::list& lt)
{
my::list
::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
it->_col++;
cout << it->_col << ":" << it->_col << endl;
++it;
}
cout << endl;
}
int main()
{
my::list
lt;
P p1(1, 1);
lt.push_back(p1);
lt.push_back(p1);
lt.push_back(p1);
lt.push_back(P(2, 2));
lt.push_back(P(3, 3));
my::list
::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << it->_col << ":" << it->_col << endl;
//cout << (*it)._col <<":"<< (*it)._col << "";
++it;
}
cout << endl;
print_list(lt);
}
这个迭代器是有问题的呀，发现居然是能修改的；
所以可以再次修改迭代器的代码：
typedef __list_iterator iterator;
typedef __list_iterator const_iterator; template
class __list_iterator//迭代器
{
public:
typedef list_node node;
typedef __list_iterator Self;
node* _pnode;
__list_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
Ptr operator->()
{
return &_pnode->_val;
}
Ref& operator*()
{
return _pnode->_val;
}
bool operator != (const Self& it)
{
return it._pnode != _pnode;
}
Self& operator++()
{
_pnode =_pnode->_next;
return *this;
}
Self& operator--()
{
_pnode = _pnode->_prev;
return *this;
}
}; 无敌， 类型typedef让我们修改很无敌，方便我们修改；
list和vector
| 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，需要移动元素，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 |
总结
好了List告一段落，所有细节都是难以，只有亲自实现才能够注意到；把握好不同容器的使用时机，才能够方便我们的使用。下期再见！！
