【C++】STL之list深度剖析及模拟实现

目录

前言

一、list 的使用

 1、构造函数

2、迭代器

3、增删查改

4、其他函数使用

二、list 的模拟实现

 1、节点的创建

 2、push_back 和 push_front

 3、普通迭代器

 4、const 迭代器

 5、增删查改(insert、erase、pop_back、pop_front)

 6、构造函数和析构函数

  6.1、默认构造

  6.2、构造 n 个 val 的对象

  6.3、拷贝构造

  6.4、迭代器区间构造

  6.5、 赋值运算符重载

  6.6、析构函数

三、list 模拟实现源代码

四、list 的迭代器失效

五、list 和 vector的对比

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前言

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.

一、list 的使用

 1、构造函数

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[first, last)区间中的元素构造list

int main()
{// 默认构造list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);// 拷贝构造list<int> lt2(lt);// 构造 n 个节点list<int> lt3(5, 1);// 迭代器区间构造list<int> lt4(lt.begin(), lt.end());return 0;
}

2、迭代器

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

int main()
{int a[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };list<int> lt(a, a + 9);auto it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;return 0;
}

迭代器一般是用来遍历和查找的； 

而反向迭代器的使用是类似的，只不过调用的函数换成了 rbegin 和 rend 。

注意：反向迭代器的迭代使用的也是++。但迭代器区间一样是[rbegin, rend）；

3、增删查改

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

int main()
{vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };list<int> lt(v.begin(), v.end());for (auto e : lt) cout << e << " ";cout << endl;lt.push_front(10);lt.push_back(20);for (auto e : lt) cout << e << " ";cout << endl;lt.pop_front();lt.pop_back();for (auto e : lt) cout << e << " ";cout << endl;auto pos = find(lt.begin(), lt.end(), 5);lt.insert(pos, 50);for (auto e : lt) cout << e << " ";cout << endl;pos = find(lt.begin(), lt.end(), 8);lt.erase(pos);for (auto e : lt) cout << e << " ";cout << endl;return 0;
}

4、其他函数使用

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
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

二、list 的模拟实现

 1、节点的创建

template<class T>
struct list_node//节点
{list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;T _data;// 构造函数list_node(const T& x = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}
};

   由于节点存储的数据可能是任意类型，所以我们需要将将节点定义为模板类。这里我们需要写一个给缺省值的默认构造函数，便于之后在主类中new一个新节点时直接初始化，同时将两个指针置为空，将数据写入数据域中。

 2、push_back 和 push_front

class list 
{
public:typedef list_node<T> node;private:node* _head;
}
//尾插
void push_back(const T& x) const
{node* new_node = new node(x);node* tail = _head->_prev;//链接节点之间的关系tail->_next = new_node;new_node->_prev = tail;new_node->_next = _head;_head->_prev = new_node;
}
//头插
void push_front(const T& x)
{node* head = _head->_next;node* new_node = new node(x);_head->_next = new_node;new_node->_prev = _head;new_node->_next = head;head->_prev = new_node;
}

 这里模拟的头插和尾插也很简单，因为和我们之前在数据结构时候的双向循环链表是一样的，只需要找到头或者尾，然后链接四个节点间的关系即可。

 3、普通迭代器

注意：list 的迭代器是自定义类型，不是原生指针node*。

迭代器为自定义类型，其中*，++等都是通过运算符重载来完成的。

所以我们需要重载的符号：*，->，前置++，后置++，前置--，后置--，!=，==；

template<class T>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T> self;node* _node;//构造函数__list_iterator(node* n):_node(n){}//重载*运算符T& operator*(){return _node->_val;}T* operator->(){return &_node->_data;}//重载前置++运算符self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//重载后置++运算符self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//重载前置--运算符self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//重载后置--运算符self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}//重载!=运算符bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}//重载==运算符bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}
};

 此处我实现了一个简单的正向迭代器，使用一个模板参数T表示类型。

 当普通迭代器封装好了之后，我们需要在list类中来实现它的 begin() 和 end() 方法。由于迭代器的名字一般都是 iterator，而且对于范围for来说，也只能通过 iterator 来转换为迭代器进行遍历。所以这里我们将其typedef为iterator。

template<class T>
class list//链表
{typedef list_node<T> node;
public:typedef __list_iterator<T> iterator;iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}
private:node* _head;
};

 4、const 迭代器

  const迭代器与普通迭代器的区别在于const迭代器指向的内容是不能修改的，但是它的指向是可以修改的。

template<class T>
class list//链表
{typedef list_node<T> node;
public:typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;const_iterator begin(){return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end(){return const_iterator(_head);}
private:node* _head;
};

  我们最好的做法就是在__list_iterator 的类模板中的添加两个模板参数，然后再 list 类中 typedef 两份分别将第二个参数分别改成 T& 和 const T& 的类型，本质上就是让编译器根据传入的 Ref 的不同来自动示例化出 const 迭代器类，而我们还需要重载一个->运算符，因为list中可能存储的是自定义类型，这个自定义类型如果要是有多个成员变量的话，我们就需要使用->来解引用访问成员变量，同样还是要区分普通迭代器和const 迭代器，所以就增加了另一个模版参数 Ptr。具体的解决做法如下：

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;node* _node;__list_iterator(node* n):_node(n){}Ref operator*()//解引用{return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}...
};

然后，最终在链表类中使用如下：

template<class T>
class list//链表
{typedef list_node<T> node;
public:typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//普通迭代器typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//const迭代器iterator begin(){return iterator(_head->_next);//匿名对象的返回}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}
private:node* _head;
};

 5、增删查改(insert、erase、pop_back、pop_front)

// 指定位置插入
void insert(iterator pos, const T& x)
{node* cur = pos._node;node* prev = cur->_prev;node* new_node = new node(x);prev->_next = new_node;new_node->_prev = prev;new_node->_next = cur;cur->_prev = new_node;
}
// 指定位置删除
iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());node* prev = pos._node->_prev;node* next = pos._node->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;return iterator(next);
}
// 尾删
void pop_back()
{erase(--end());
}
// 头删
void pop_front()
{erase(begin());
}

 6、构造函数和析构函数

  6.1、默认构造

  由于后面会频繁对空进行初始化，所以在这里对它进行了封装，方便后面的调用。

void empty_init()//空初始化
{_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}
list()
{empty_init();
}

  6.2、构造 n 个 val 的对象

//用n个val构造对象
list(int n, const T& val = T())
{empty_init();for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}
}

  6.3、拷贝构造

//拷贝构造传统写法
list(const list<T>& lt)
{empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}
}
//拷贝构造现代写法
list(const list<T>& lt)
{empty_init();list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());swap(tmp);
}

  6.4、迭代器区间构造

template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}
}

  6.5、 赋值运算符重载

//赋值运算符重载
list<T>& operator=(list<T> lt)//注意这里不能用引用
{swap(lt);return *this;
}

  6.6、析构函数

//要全部清理掉
~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}
//不释放头结点
void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//这样也可以//erase(it++);}
}

三、list 模拟实现源代码

template<class T>
struct list_node//节点
{list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;T _data;list_node(const T& x = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}
};
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;node* _node;__list_iterator(node* n):_node(n){}Ref operator*()//解引用{return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}//前置++self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后置++self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//前置--self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置--self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}
};
template<class T>
class list//链表
{typedef list_node<T> node;
public:typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//普通迭代器typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//const迭代器iterator begin(){return iterator(_head->_next);//匿名对象的返回}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}void empty_init()//空初始化{_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}//迭代器区间构造template <class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){empty_init();while (first != last){push_back(*first);//push_back使用的前提是要有哨兵位的头结点++first;}}// 交换函数void swap(list<T>& tmp){std::swap(_head, tmp._head);}//现代拷贝构造list(const list<T>& lt){list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());swap(tmp);}//现代赋值写法list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}~list()//要全部清理掉{clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear()//不释放头结点{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//这样也可以//erase(it++);}}void insert(iterator pos, const T& x){node* cur = pos._node;node* prev = cur->_prev;node* new_node = new node(x);prev->_next = new_node;new_node->_prev = prev;new_node->_next = cur;cur->_prev = new_node;}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());node* prev = pos._node->_prev;node* next = pos._node->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;return iterator(next);}//尾插void push_back(const T& x) const{//node* new_node = new node(x);//node* tail = _head->_prev;链接节点之间的关系//tail->_next = new_node;//new_node->_prev = tail;//new_node->_next = _head;//_head->_prev = new_node;insert(end(), x);}//头插void push_front(const T& x){//node* head = _head->_next;//node* new_node = new node(x);//_head->_next = new_node;//new_node->_prev = _head;//new_node->_next = head;//head->_prev = new_node;insert(begin(), x);}//尾删void pop_back(){erase(--end());}//头删void pop_front(){erase(begin());}
private:node* _head;
};

四、list 的迭代器失效

  当我们使用 erase 进行删除后，此时指向删除位置的迭代器就失效了，再次使用就会令程序崩溃。

  因此若要多次删除，则需要在使用后利用 erase 的返回值更新迭代器，这样使用才不会出现错误。

int main()
{vector<int> v = { 1, 2,3,5,4,6 };list<int> lt(v.begin(), v.end());list<int>::iterator pos = find(lt.begin(), lt.end(), 3);for (int i = 0; i < 3; i++){pos = lt.erase(pos);   //利用erase的返回值更新迭代器}for (auto e : lt) cout << e << " ";cout << endl;return 0;
}

五、list 和 vector的对比

	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，需要搬移元素，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	大量插入和删除操作，不关心随机访问

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