【C++心愿便利店】No.14---C++之探索list底层原理

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前言

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🔑本章内容：list
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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、list的介绍及使用

list的文档介绍

1.1 list的介绍

• 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。
• 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。
• 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)

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()	构造空的list
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 (InputIterator first, InputIterator last)	用[first, last)区间中的元素构造list
list (const list& x)	拷贝构造函数

void test_list1()
{list<int> l1;//构造空的listlist<int>l2(6, 6);//构造的list中包含n个值为val的元素list<int>l3(l2.begin(), l2.end());//用[first, last)区间中的元素构造listlist<int>l4(l3);//拷贝构造函数list<int>::iterator it = l2.begin();while (it != l2.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;for (auto e : l3){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : l4){cout << e << " ";}cout << endl;
}

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。

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

void test_list2()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);// 使用正向迭代器遍历打印lt中的元素// list<int>::iterator it = l.begin();   //两种写法都对auto it = lt.begin();                    while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用反向迭代器遍历打印lt中的元素// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();auto rit = lt.rbegin();while (rit != lt.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;
}

【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
3. 遍历链表只能使用迭代器和范围 for。

1.2.3 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

1.2.4 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

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 operations

函数声明	接口说明
splice	实现list拼接的功能，将源list的内容部分或全部元素删除，拼插入到目的list。
remove	删除特定值节点
unique	对链表中的元素去重，要求必须有序
merge	对两个有序的链表进行归并，得到一个有序的链表
sort	对链表中的元素进行排序
reverse	逆置

注意：链表排序只能使用 list 自身的 sort() 接口（其底层是利用归并排序原理），不能使用算法库的 sort，因为算法库中的 sort 底层是通过快排来实现的，快排涉及到三数取中，需要迭代器 - 迭代器，链表不能很好的支持。

void test_list3()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.reverse();链表逆置可以使用 list 自身的接口，也可以使用算法库中的 reversefor (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//sort(lt.begin(), lt.end());lt.sort();//默认升序< less//降序> greater//greater<int> gt;lt.sort(gt);lt.sort(greater<int>());//上面的两种写法都可以for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;
}
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
unique  ---	去重（一定要记得有序）
void test_list4()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(3);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(3);lt.push_back(2);lt.push_back(5);lt.push_back(5);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.unique();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;
}

虽然链表提供了排序接口，但是用链表对数据排序意义不大（当数据比较大时），效率太低了，更希望用 vector 来对数据进行排序 — 如下（具体可以通过对两者进行效率比对），但是数据较小时sort还是很有用的

//将li中的数据拷贝到vector
vector<int> v(lt.begin(),lt.end());
for (auto e : v)
{cout << e << " ";
}
cout << endl;
//排序
sort(v.begin(), v.end());
for (auto e : v)
{cout << e << " ";
}
cout << endl;
//拷贝回lt
lt.assign(v.begin(), v.end());
for (auto e : lt)
{cout << e << " ";
}
cout << endl;——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
//对两者进行效率比对
void TestSort()
{srand(time(0));const int N = 5000000;vector<int> v;list<int> lt;v.reserve(N);//提前开好空间for (int i = 0; i < N; i++){auto e = rand();v.push_back(e);lt.push_back(e);}比较vector 和 list 的排序int begin1 = clock();sort(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();lt.sort();int end2 = clock();printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}

迭代器的这种分类方式，是由容器的底层结构来决定的

迭代器类型（性质上分类）	功能 及 示例
单向（InputIterator）	支持 ++ （单链表、哈希表）
双向（BidirectionalItreator）	支持 ++/- - （双向链表、红黑树（map和set））
随机（RandomAccessIterator）	支持 ++ / - - / + / - （vector、string、deque）

可以看到算法库里面的sort：迭代器类型是随机（RandomAccessIterator）类型的所以不可以用算法库中的sort，以list中的reverse为例：迭代器是双向（BidirectionalItreator）类型的。

1.2.7 list的迭代器失效

list中insert 插入元素并不会导致迭代器失效， vector 中的 insert插入元素导致迭代器失效是因为，vector 中的 insert 会去扩容挪动数据，而 list 中的 insert 不会进行扩容挪动数据
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

void TestListIterator1()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()){//erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值l.erase(it); ++it;}
}
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// 改正
void TestListIterator()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()){l.erase(it++); // it = l.erase(it);}
}

二、list的模拟实现

2.1 定义一个结构体实现list的节点

template<class T>
struct list_node//struct默认是公有的不受访问限定符限制
{T _data;list_node<T>*_next;list_node<T>*_prev;list_node(const T& x=T())//拷贝构造:_data(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}
};

2.2 list的成员变量

template<class T>
class list
{typedef list_node<T> Node;
public:private:Node* _head;
};

2.3 list迭代器的封装实现

list 的迭代器不再使用原生指针因为：

• 首先如果list 的迭代器使用原生指针，那对迭代器解引用得到的是一个节点，但是我们是希望对迭代器解引用可以得到节点里面存储的元素数据
• 其次 list 在底层的物理空间并不连续，如果使用原生指针作为 list 的迭代器，那对迭代器执行 ++ 操作，并不会让迭代器指向下一个节点。
  所以需要对 list 的迭代器进行封装并对一些运算符进行重载以实现迭代器的效果。

2.3.1 普通迭代器

//迭代器的封装和运算符重载
template<class T>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T>Node;typedef __list_iterator<T> self;Node* _node;__list_iterator(Node* node)//构造:_node(node){}self& operator++()//前置++{_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int)//后置++{self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self& operator--()//前置--{_node = _node->_prev;return *this;}self& operator--(int)//后置--{self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}T& operator*()//因为要修改数据所以返回数据的&{return _node->_data;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}bool operator!=(const self& s){return _node !=s._node ;}
};

迭代器不需要实现析构函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数，直接使用默认生成的就可以（所以浅拷贝就足够了不需要深拷贝）

2.3.2 const迭代器

上述实现了普通迭代器，那 const 迭代器该怎样实现呢？
所谓const 迭代器本质：是限制迭代器指向的内容不能修改，而 const 迭代器自身可以修改，它可以指向其他节点。
const iterator这种写法，const 限制的就是迭代器本身，会让迭代器无法实现 ++ 等操作(所以const迭代器不是对普通迭代器＋const修饰)。

为了实现const迭代器有两种方式：

• 单独写一个 _list_const_iterator 的类

template<class T>
struct __list_const_iterator
{typedef list_node<T>Node;typedef __list_const_iterator<T> self;Node* _node;__list_const_iterator(Node* node):_node(node){}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;}const T& operator*(){return _node->_data;}const T* operator->(){return &_node->_data;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}
};

• 在普通迭代器的基础上，再传递一个模板参数，让编译器来生成

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* node):_node(node){}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;}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator==(const self& s) {return _node == s._node;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}
};

2.4 list成员函数

2.4.1 构造函数

list 本质上是一个带头双向循环链表。

void empty_init()
{_head = new Node;//这里需要传个值所以在拷贝构造的地方给个匿名对象_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}
list()
{empty_init();
}

2.4.2 拷贝构造函数

list(const list<T>& lt)//--->lt是一个const类型的
{empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}
}

2.4.3 赋值运算符重载

//两种写法：
list<int>& operator=(const list<int>& lt)
{if(this!=&lt){clear();//释放lt3;--->不清哨兵位的头结点可以继续插入for (auto e : lt)//遍历lt1{push_back(e);//把lt1中的数据插入到lt3}}return *this;
}
____________________________________________________________________________________
void swap(list<T>& lt)
{std::swap(_head,lt._head);//交换头指针std::swap(_size, lt._size);
}
list<int>& operator=(list<int>& lt)
{swap(lt);return *this;
}

2.4.4 迭代器相关

//普通迭代器：
iterator begin()
{return _head->_next;
}
iterator end()
{return _head;
}
//const迭代器：
const_iterator begin()const
{return _head->_next;
}
const_iterator end()const 
{return _head;
}

2.4.5 insert

iterator insert(iterator pos, const T& val)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;return iterator(newnode);
}

2.4.6 erase

iterator erase(iterator pos)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;delete cur;cur = nullptr;prev->_next = next;next->_prev = prev;_size--;return iterator(next);//返回pos的下一个位置
}

2.4.7 push_back()

void push_back(const T& x)
{
//找尾Node* tail = _head->_prev;
//插入节点	Node* newnode = new Node(x);tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;
}
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
//直接复用insert
void push_back(const T& x)
{insert(end(),x);
}

2.4.8 push_front()

void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}

2.4.9 pop_back()

void pop_back(const T& x)
{erase(--end());
}

2.4.10 pop_front()

void pop_front(const T& x)
{erase(begin());
}

2.4.11 size()

size_t size()
{return _size;
}

2.4.12 clear()

void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//返回下一个位置的迭代器}
}

2.4.13 析构函数

~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}

三、list与vector的对比

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