list(介绍与实现)

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 modififiers

1.2.6 list的迭代器失效

2. list的模拟实现

2.1 模拟实现list

2.2 list的反向迭代器

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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（

(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 fifirst, InputIterator last)

用 [fifirst, last) 区间中的元素构造 list

1.2.2 list iterator的使用

此处，大家可暂时 将迭代器理解成一个指针，该指针指向 list 中的某个节点 。

 

 

【注意】

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

1.2.4 list element access

 

 1.2.5 list modififiers

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

1.2.6 list的迭代器失效

前面说过，此处大家可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 。

2. list的模拟实现

2.1 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，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list 。

#pragma once#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>namespace bite
{// List的节点类template<class T>struct ListNode{ListNode(const T& val = T()): _prev(nullptr), _next(nullptr), _val(val){}ListNode<T>* _prev;ListNode<T>* _next;T _val;};/*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：vector2. 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!=()*/template<class T, class Ref, class Ptr>class ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到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 Iterator>class ReverseListIterator{// 注意：此处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<Iterator> 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 T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:// 正向迭代器typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;// 反向迭代器typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;typedef ReverseListIterator<const_iterator> 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 <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.begin(), l.end());this->swap(temp);}list<T>& operator=(list<T> 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newsizewhile (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的插入和删除void push_back(const T& val) { insert(end(), 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){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<T>& 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<class T>
void PrintList(const bite::list<T>& l)
{auto it = l.begin();while (it != l.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}// 测试List的构造
void TestBiteList1()
{bite::list<int> l1;bite::list<int> l2(10, 5);PrintList(l2);int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };bite::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));PrintList(l3);bite::list<int> l4(l3);PrintList(l4);l1 = l4;PrintList(l1);
}// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{// 测试PushBack与PopBackbite::list<int> l;l.push_back(1);l.push_back(2);l.push_back(3);PrintList(l);l.pop_back();l.pop_back();PrintList(l);l.pop_back();cout << l.size() << endl;// 测试PushFront与PopFrontl.push_front(1);l.push_front(2);l.push_front(3);PrintList(l);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 };bite::list<int> 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 };bite::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto rit = l.rbegin();while (rit != l.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;const bite::list<int> cl(l);auto crit = l.rbegin();while (crit != l.rend()){cout << *crit << " ";++crit;}cout << endl;
}

2.2 list的反向迭代器

通过前面例子知道，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 Iterator>
class ReverseListIterator
{// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，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<Iterator> 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;
};