list的使用和模拟实现

目录

1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

1.2 list的使用

1.2.1 list的构造

1.2.2 list iterator的使用

1.2.3 list capacity

1.2.4 list element access

1.2.5 list modifiers

2.为什么使用迭代器？

3.list的模拟实现

3.1完整代码

3.2代码解析

4.list与vector的对比

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1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

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	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)	用两个迭代器[firs, last)区间中的元素构造list

1.2.2 list iterator的使用

此处，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
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的前一个位置

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

函数声明	接口说明
empty	检查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

函数声明	接口声明
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

1.2.5 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

2.为什么使用迭代器？

容器类使用迭代器进行访问和遍历的主要原因包括以下几点：

1. 抽象数据结构访问接口：通过迭代器，容器类可以提供一种统一的、抽象的方法来访问和操作容器中的元素。这样，无论容器内部的数据结构是什么，用户都可以使用相同的方式来访问和操作元素，提高了代码的可复用性和可维护性。
2. 封装容器的内部实现细节：容器的内部实现可能采用各种不同的数据结构，例如数组、链表、树等。通过迭代器，容器可以隐藏内部实现细节，只提供迭代器的接口给用户使用，从而保护容器内部数据的完整性和安全性。
3. 支持灵活的遍历方式：迭代器提供了多种灵活的遍历方式，例如正向遍历、反向遍历、随机遍历等。这使得用户可以根据实际需求选择最适合的遍历方式，提高了代码的灵活性和效率。
4. 方便的算法和函数库使用：许多算法和函数库都是基于迭代器的，例如STL中的算法库、boost库等。通过使用迭代器，可以方便地在容器上应用这些算法和函数，提高了开发效率和代码的重用性。

综上所述，使用迭代器可以提供一种统一的、抽象的方法来操作容器中的元素，封装容器的内部实现细节，提供灵活的遍历方式，并支持方便的算法和函数库的使用。这使得容器的访问和遍历更加方便、灵活和高效

3.list的模拟实现

3.1完整代码

//ReverseIterator.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1namespace bit
{template<class Iterator, class Ref, class Ptr>//Ref表示引用类型，Ptr表示指针类型struct ReverseIterator{typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;//重命名Iterator _it;//成员ReverseIterator(Iterator it):_it(it){}Ref operator*(){Iterator tmp = _it;return *(--tmp);}Ptr operator->(){return &(operator*());}Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self tmp = *this;--_it;return tmp;}Self& operator--(){++_it;return *this;}Self& operator--(int){Self tmp = *this;++_it;return tmp;}bool operator!=(const Self& s) const{return _it != s._it;}};
}

//list.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#pragma once#include <assert.h>
#include "ReverseIterator.h"namespace bit
{template<class T>struct list_node{list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;T _val;list_node(const T& val = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _val(val){}};template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list_iterator//迭代器{typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;__list_iterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_val;}Ptr operator->(){return &_node->_val;}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;}bool operator!=(const self& it) const{return _node != it._node;}bool operator==(const self& it) const{return _node == it._node;}};template<class T>class list{typedef list_node<T> Node;//重命名一样受访问限制符限制，这个是给内部用的public:typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//这个是给外部用的，所以公有的typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef ReverseIterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;typedef ReverseIterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}iterator begin(){//return _head->_next;//C++单参数类型支持隐式转换return iterator(_head->_next);//这两种写法是一样的}iterator end(){//return _head;//C++单参数类型支持隐式转换//虽然两种写法都是一样的，不过这种写法能更加明确的告诉我们返回的是迭代器类型的对象return iterator(_head);//匿名对象}const_iterator begin() const{//return _head->_next;//C++单参数类型支持隐式转换return const_iterator(_head->_next);//这两种写法是一样的}const_iterator end() const{return _head;}void empty_init(){_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;_size = 0;}list(){empty_init();}list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}_size = 0;}void push_back(const T& x){//第一种写法/*Node* tail = _head->_prev;Node* newnode = new Node(x);tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;*///第二种写 -- 复用insert函数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){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(x);prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;++_size;return newnode;}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;--_size;delete cur;return next;//因为迭代器失效问题所以要返回下一个迭代器//为什么失效？因为删除之后迭代器原来的指向失效，需要返回下一个节点作为新的迭代器}size_t size(){return _size;}private:Node* _head;size_t _size;};struct A{A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}int _a1;int _a2;};
}

//main.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
#include "list.h"void Print(const bit::list<int>& lt)
{bit::list<int>::const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//(*it)++;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}void test_list1()
{bit::list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);//因为链表的底层不一样，所以我们需要对其iterator进行封装然后重载运算符bit::list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;Print(lt);
}void test_list2()
{bit::list<bit::A> lt;lt.push_back(bit::A(1, 1));lt.push_back(bit::A(2, 2));lt.push_back(bit::A(3, 3));lt.push_back(bit::A(4, 4));bit::list<bit::A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;++it;}cout << endl;
}void test_list3()
{bit::list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.push_back(6);lt.push_back(7);lt.push_back(8);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_front();lt.pop_back();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;
}void test_list4()
{bit::list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);bit::list<int> lt1(lt);for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;bit::list<int> lt2;lt2.push_back(10);lt2.push_back(20);lt2.push_back(30);lt2.push_back(40);lt1 = lt2;for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;
}void test_list5()
{bit::list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);//bit::list<int> lt1(lt);//for (auto e : lt1)//{//	cout << e << " ";//}//cout << endl;bit::list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();while (rit != lt.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;}void test_list6()
{bit::list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);bit::list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){if (*it == 2){it = lt.erase(it);}cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}int main()
{test_list6();return 0;
}

3.2代码解析

4.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	带头节点的双向循环链表
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	需要大量插入和删除操作，不关心随机访问