C++ list详解及模拟实现

目录

本节目标

 1. list的介绍及使用

1.2 list的使用

2.list的模拟实现 

1.对list进行初步的实现

2.头插和任意位置的插入

3.pos节点的删除，头删，尾删

4.销毁list和析构函数

5.const迭代器

6.拷贝构造和赋值操作

3.完整代码 

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本节目标

1. list的介绍及使用
2. list的深度剖析及模拟实现
3. list与vector的对比

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 1. list的介绍及使用

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)

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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.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 first, InputIterator last)	用[first, last)区间中的元素构造list

代码演示：

void TestList1()
{list<int> l1;                         // 构造空的l1list<int> l2(4, 100);                 // l2中放4个值为100的元素list<int> l3(l2.begin(), l2.end());  // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] = { 16,2,77,29 };list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));// 列表格式初始化C++11list<int> l6{ 1, 2, 3, 4, 5 };// 用迭代器方式打印l5中的元素list<int>::iterator it = l5.begin();while (it != l5.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// C++11范围for的方式遍历for (auto& e : l5)cout << e << " ";cout << endl;
}

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2.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

【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
代码演示：

// list迭代器的使用
// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for
void PrintList(const list<int>& l)
{// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it){cout << *it << " ";// *it = 10; 编译不通过}cout << endl;
}

void TestList2()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 使用正向迭代器正向list中的元素// list<int>::iterator it = l.begin();   // C++98中语法auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法while (it != l.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();auto rit = l.rbegin();while (rit != l.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;
}

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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

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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

代码演示：

void TestList3()
{int array[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 在list的尾部插入4，头部插入0L.push_back(4);L.push_front(0);PrintList(L);// 删除list尾部节点和头部节点L.pop_back();L.pop_front();PrintList(L);
}

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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

代码演示：

// insert /erase 
void TestList4()
{int array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));// 获取链表中第二个节点auto pos = ++L.begin();cout << *pos << endl;// 在pos前插入值为4的元素L.insert(pos, 4);PrintList(L);// 在pos前插入5个值为5的元素L.insert(pos, 5, 5);PrintList(L);// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素vector<int> v{ 7, 8, 9 };L.insert(pos, v.begin(), v.end());PrintList(L);// 删除pos位置上的元素L.erase(pos);PrintList(L);// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素L.erase(L.begin(), L.end());PrintList(L);
}

// resize/swap/clear
void TestList5()
{// 用数组来构造listint array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));PrintList(l1);// 交换l1和l2中的元素list<int> l2;l1.swap(l2);PrintList(l1);PrintList(l2);// 将l2中的元素清空l2.clear();cout << l2.size() << endl;
}

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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。

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;}
}

下面是修正的代码：

// 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);}
}

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2.list的模拟实现 

1.对list进行初步的实现

namespace my_list
{//list节点的结构template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;//构造走列表 ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}};template<class T>struct __list_iterator{typedef ListNode<T> Node;typedef __list_iterator<T> self;Node* _node;//构造迭代器__list_iterator(Node* x):_node(x){}// ++itself& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}T& operator*(){return _node->_data;}T& operator*(){return _node->_data;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}};//对list成员函数进行模拟实现template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:typedef __list_iterator<T> iterator;list(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}iterator begin(){//return iterator(_head->_next);return _head->_next;}iterator end(){return _head;}void push_back(const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* tail = _head->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;}private:Node* _head;};}

这段代码是对C++中的双向链表list的简单模拟实现。以下是对其实现逻辑的解释：

1. 在namespace my_list中定义了ListNode结构体，用于表示链表节点，包含指向前一个节点和后一个节点的指针，以及存储数据的成员变量_data。

2. 定义了__list_iterator结构体，用于封装list的迭代器。该结构体包含一个指向ListNode的指针_node，并重载了operator++/--（前置++（返回之后的值）和后置++（返回之前的值），后置++调用了拷贝构造）、operator*和operator!=等操作。

(Node*没办法重载，只有自定义类型才支持重载，我们只能进行封装）

3. 定义了list类，包含内部类iterator作为迭代器类型。list类中有构造函数初始化头节点_head，begin()返回第一个节点的迭代器，end()返回尾节点的迭代器，push_back()在链表尾部插入新节点。

总体逻辑是通过定义节点结构体、迭代器结构体和链表类，实现了简单的双向链表功能，并提供了对链表进行遍历和插入操作的接口。

 test_list1函数演示了如何使用该简单链表实现，创建链表对象lt，插入几个元素，然后通过迭代器遍历输出链表中的元素。

	void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}

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2.头插和任意位置的插入

		iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(x);// prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;//return iterator(newnode);return newnode;}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}

1. insert函数：
- 获取当前迭代器pos指向的节点cur以及其前一个节点prev。
- 创建一个新的节点newnode，存储值为x。
- 将prev节点的_next指针指向newnode，建立prev和newnode之间的连接。
- 将newnode的_prev指针指向prev，将newnode的_next指针指向cur，建立newnode和cur之间的连接。
- 返回一个新的迭代器，指向插入的newnode节点。

2. push_front函数：
- 调用insert函数，在链表头部（即begin()位置）插入值为x的新节点。
- 通过调用insert(begin(), x)实现在链表头部插入新节点的功能。

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3.pos节点的删除，头删，尾删

		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;delete cur;return next;}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}

在这段代码中， iterator erase(iterator pos) 函数的目的是从容器中删除给定位置的元素。在双向链表中，当删除一个节点后，需要重新连接前一个节点和后一个节点，然后删除当前节点。在这段代码中， return next; 返回的是下一个节点的迭代器，因为在删除当前节点后，下一个节点就变成了当前位置。这样做是为了防止迭代器失效，方便在调用 erase 函数后继续遍历容器中的元素。

测试：

	void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.pop_back();lt.pop_front();list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}

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4.销毁list和析构函数

		void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}

在这段代码中， clear() 函数用于清空整个双向链表，它通过循环调用 erase() 函数来一个一个删除链表中的元素，直到链表为空。而在析构函数 ~list() 中，首先调用了 clear() 函数来确保在销毁链表之前先清空所有元素，然后删除链表的头节点 _head 并将其置为 nullptr ，以释放链表占用的内存空间。这样的设计确保了在销毁链表对象时，会正确地释放链表中所有节点的内存，并避免内存泄漏问题。

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5.const迭代器

const迭代器和普通迭代器最大的区别就是将T& operator*前面加上const，让指针指向的内容不能被修改。但需要注意：const迭代器不是一个const的对象，const对象自己可以修改，只是让指向的类容不能修改

	template<class T, class Ref>struct __list_iterator{typedef ListNode<T> Node;typedef __list_iterator<T, Ref> self;Node* _node;__list_iterator(Node* x):_node(x){}// ++itself& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}// it++self operator++(int){//__list_iterator<T> tmp(*this);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;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}};

这里的操作是通过参数的不同重载了这个类，所以才在这里多加一个参数

6.拷贝构造和赋值操作

		//拷贝构造 lt1(lt)list(const list<T>& lt){_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;将lt的元素全部尾插到新链表for (const auto& e : lt){push_back(e);}}

拷贝构造函数，用于复制另一个链表 lt 的所有元素到新链表中。首先创建一个新的头节点 _head，并将其前驱和后继都指向自身，然后通过循环遍历 lt 中的每个元素，将其依次尾插到新链表中。这样就实现了将另一个链表的所有元素复制到新链表的功能。

赋值操作的传统写法

        list<T> operator=(const list<T>& lt){//链表已存在，只需将节点尾插进去即可if(this != lt){for (auto& e : lt){push_back(e);}}}

链表存在，直接尾插就行了。

现代写法

		list<T>& operator=(list<T>& lt){swap(_head, lt->_head);return *this;}template <class T> void swap ( T& a, T& b ){T c(a); a=b; b=c;}

赋值运算符函数，用于将另一个链表 lt 的内容与当前链表进行交换。在函数内部，调用了一个名为 swap 的模板函数，用于交换两个对象的值。在这里，通过将当前链表的头节点和另一个链表的头节点进行交换，实现了两个链表内容的交换。

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3.完整代码 

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace delia
{template<class T>struct _list_node{T _val;_list_node<T>* _prev;_list_node<T>* _next;_list_node(const T& val = T()):_val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr){};};template<class T, class Ref>struct _list_iterator//使用_list_iterator类来封装node*{typedef _list_node<T> node;typedef _list_iterator<T, Ref> self;node* _pnode;//构造函数_list_iterator(node* pnode):_pnode(pnode){}//拷贝构造、赋值运算符重载、析构函数，编译器默认生成即可//解引用，返回左值，是拷贝，因此要用引用返回Ref operator*(){return _pnode->_val;}//!=重载bool operator!=(const self& s) const{return _pnode != s._pnode;}//==重载bool operator==(const self& s) const{return _pnode == s._pnode;}//前置++  it.operator(&it)self& operator++(){_pnode = _pnode->_next;return *this;}//后置++ 返回++之前的值  it.operator(&it,0)self operator++(int){self tmp(*this);_pnode = _pnode->_next;return tmp;}//前置--  it.operator(&it)self& operator--(){_pnode = _pnode->prev;return *this;}//后置++ 返回++之前的值  it.operator(&it,0)self operator--(int)//临时对象不能用引用返回，所以self没有加&{self tmp(*this);_pnode = _pnode->_prev;return tmp;}};template<class T>class list{typedef _list_node<T> node;public:typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;//重命名迭代器typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//重命名const迭代器//构造函数list(){_head = new node;//会调_list_node的构造函数_head->_next = _head;//整个链表只有头节点，先构造一个没有实际节点的链表_head->_prev = _head;//整个链表只有头节点，先构造一个没有实际节点的链表}//拷贝构造 lt1(lt)list(const list<T>& lt){_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;//将lt的元素全部尾插到新链表for (const auto& e : lt){push_back(e);}}//赋值重载list<T>&operator=(list<T>&lt){swap(_head, lt._head);return *this;}template <class T> void swap(T& a, T& b){T c(a);a = b;b = c;}//析构~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);//尾节点的下一个节点位置即头节点}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);//尾节点的下一个节点位置即头节点}//插入节点void insert(iterator pos, const T& x){assert(pos._pnode);node* newnode = new node(x);//构造节点node* prev = pos._pnode->_prev;//插入节点newnode->_next = pos._pnode;pos._pnode->_prev = newnode;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;}//删除节点iterator erase(iterator pos){assert(pos._pnode);//判断该位置节点是否存在assert(pos != end());//end()是最后一个节点的下一个节点位置，也就是头节点，头节点不能删，需要断言node* prev = pos._pnode->_prev;//pos位置节点的前一个节点node* next = pos._pnode->_next;//pos位置节点的后一个节点//删除节点delete pos._pnode;prev->_next = next;next->_prev = prev;return iterator(next);//删除之后pos失效，把下一个位置的迭代器给它}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){erase(it++);}}//头插void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}//尾插void push_back(const T& x){insert(end()--, x);}//头删void pop_front(){erase(begin());}//尾删void pop_back(){erase(--end());}//判空bool empty(){return _head->_next == _head;}//求节点个数size_t size(){iterator it = begin();size_t sz = 0;while (it != end())//时间复杂度O(N){it++;sz++;}return sz;}private:node* _head;};void PrintList(const list<int>& lt){list<int>::const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << it._pnode->_val << " ";it++;}cout << endl;}
}