C++笔记---list

1. list的介绍

list其实就是就是我们所熟知的链表（双向循环带头结点），但其是作为STL中的一个类模板而存在。

也就是说，list是可以用来存储任意类型数据的顺序表，既可以是内置类型，也可以是自定义类型，或是STL中的其他容器。

除了底层的实现不同以外，用法与vector基本相同，但不支持随机访问，以及与随机访问有关的接口。

具体以list - C++ Reference为准，本文为该文档的一个简单总结与标注。

2. list的重要接口

以下表格中的函数都不是官方库中的函数原型，而是为了方便学习和理解而进行了简化的。

2.1 默认成员函数

2.1.1 构造函数

四种构造方式

(1) list();	默认构造
(2) list(size_t n, const T& val = T());	用val初始化list前n个数据
(3) template<class InputIterator> list(InputIterator first, InputIterator last);	用迭代器区间进行初始化
(4) list(const list& x);	拷贝构造

 2.1.2 赋值重载

 2.2 迭代器相关

begin	返回开始位置的迭代器
end	返回最后一个数据的下一个位置的迭代器
rbegin	用于逆向迭代
rend	用于逆向迭代
cbegin	用于const修饰的容器的迭代
cend	用于const修饰的容器的迭代
crbegin	用于const修饰的容器的逆向迭代
crend	用于const修饰的容器的逆向迭代

2.3 大小容量相关

bool empty() const;	判断list是否为空
size_t size() const;	返回list中的数据个数
size_t max_size() const;	返回由于系统或数据库限制，list能够存储数据的最大容量（并不一定能达到）

2.4 访问相关

(1) T& front(); (2) constT& front() const;	返回第一个元素的引用
(1) T& back(); (2) constT& back() const;	返回最后一个元素的引用

2.5 元素修改相关

(1) template<class InputIterator>      void assign(InputIterator first, InputIterator last); (2) void assign(size_t n, const T& val);	给list赋新的值，效果类似于重新构造这个list
void push_front(const T& val);	在list头部插入一个元素
void push_back(const T& val);	在list尾部插入一个元素
void pop_front();	删除list头部的一个元素
void pop_back();	删除list尾部的一个元素
(1) iterator insert(iterator pos, const T& val); (2) void insert(iterator pos, size_t n, const T& val); (3) template <class InputIterator>      void insert(iterator position, InputIterator first，InputIterator last);	在指定位置插入元素，常数时间O(1)，效率很高，不会导致迭代器失效
(1) iterator erase(iterator pos); (2) iterator erase(iterator first, iterator last);	删除指定位置的数据，常数时间O(1)，效率很高，会导致当前位置迭代器失效
void swap(list<T>& x);	交换两个list的数据
void resize(size_t n, T val = T());	改变list的元素个数，使其容纳n个元素，n<size则删除多余的，n>size则加入n个值与val相同的元素
void clear();	清空list

2.6 list结点移动

(1) void splice(iterator position, list& x); (2) void splice(iterator position, list& x, iterator i); (3) void splice(iterator position, list& x, iterator first, iterator last);	(1) 将x的结点全部移动到position位置 (2) 将x中i指向的结点移动到position位置 (3) 将x中first到last的结点移动到position位置
void remove(const T& val);	移除list中与val值相同的结点
template <class Predicate> void remove_if(Predicate pred);	按照pred(*it)函数的返回值(true移除/false不移除)来移除结点
(1) void unique(); (2) template <class BinaryPredicate>      void unique(BinaryPredicate binary_pred);	(1) 移除值连续相等(operator==)的几个结点，只留下这组结点中的第一个(在处理经过排序的list时，能确保各种值得结点只留下一个) (2) 按照binary_pred(*it, *(it-1))给出的逻辑判断结点的值是否相等，进而删除结点
(1) void merge(list& x); (2) template <class Compare>      void merge(list& x, Compare comp);	(1) 将x合并到调用函数的list中(x的结点全部移动到list中，并确保合并后的list中的结点也是有序(operator<)的，但要求两个list事先都是有序的。如果list==*this，该函数无行为) (2) 按照comp函数给出的比较方式来进行有序的合并
(1) void sort(); (2) template <class Compare>      void sort(Compare comp);	(1) 按照operator<进行排序 (2) 按照comp给出的比较方式排序
void reverse();	逆置list

3. 迭代器失效

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。

4. list不完全模拟实现示例

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;namespace lbz
{// List的节点类template<class T>struct ListNode{ListNode(const T& val = T()):_val(val),_pPre(nullptr),_pNext(nullptr){}ListNode<T>* _pPre;ListNode<T>* _pNext;T _val;};//List的迭代器类template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T>* PNode;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;typedef Ref _Ref;typedef Ptr _Ptr;public:ListIterator(PNode pNode = nullptr):_pNode(pNode){}ListIterator(const Self& l):_pNode(l._pNode){}T& operator*(){return _pNode->_val;}// 按理来说在使用时需要两个->，但编译器为了可读性做了优化T* operator->(){return &(_pNode->_val);}Self& operator++(){_pNode = _pNode->_pNext;return (*this);}Self operator++(int){Self tmp = (*this);_pNode = _pNode->_pNext;return tmp;}Self& operator--(){_pNode = _pNode->_pPre;return (*this);}Self& operator--(int){Self tmp = (*this);_pNode = _pNode->_pPre;return tmp;}bool operator!=(const Self& l) const{return (this->_pNode != l._pNode);}bool operator==(const Self& l) const{return (this->_pNode == l._pNode);}PNode _pNode;};template<class iterator>struct reverseListIterator{typedef typename iterator::_Ref Ref;typedef typename iterator::_Ptr Ptr;typedef reverseListIterator<iterator> Self;reverseListIterator(iterator it):_it(it){}Ref operator*(){iterator tmp(_it);--tmp;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& rit) const{return _it == rit._it;}bool operator!=(const Self& rit) const{return _it != rit._it;}iterator _it;};//list类template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;typedef Node* PNode;public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;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();while (n--){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();list tmp(l.begin(), l.end());swap(tmp);}// 支持用大括号参数列表构造/隐式类型转换list(initializer_list<T> il){CreateHead();for (auto& e : il){push_back(e);}}list<T>& operator=(const list<T> l){list tmp(l.begin(), l.end());swap(tmp);return *this;}~list(){clear();delete _pHead;_pHead = nullptr;}///// List Iteratoriterator begin(){return iterator(_pHead->_pNext);}iterator end(){return iterator(_pHead);}const_iterator begin() const{return const_iterator(_pHead->_pNext);}const_iterator end() const{return const_iterator(_pHead);}const_iterator cbegin() const{return const_iterator(_pHead->_pNext);}const_iterator cend() const{return const_iterator(_pHead);}reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}const_reverse_iterator crbegin() const{return const_reverse_iterator(cend());}const_reverse_iterator crend() const{return const_reverse_iterator(cbegin());}///// List Capacitysize_t size()const{return _size;}bool empty()const{return !_size;}// List AccessT& front(){return _pHead->_pNext->_val;}const T& front()const{return _pHead->_pNext->_val;}T& back(){return _pHead->_pPre->_val;}const T& back()const{return _pHead->_pPre->_val;}// List Modifyvoid 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){PNode newnode = new Node(val);newnode->_pNext = pos._pNode;newnode->_pPre = pos._pNode->_pPre;pos._pNode->_pPre->_pNext = newnode;pos._pNode->_pPre = newnode;_size++;return pos;}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置iterator erase(iterator pos){pos._pNode->_pNext->_pPre = pos._pNode->_pPre;pos._pNode->_pPre->_pNext = pos._pNode->_pNext;iterator ret = pos._pNode->_pNext;delete pos._pNode;--_size;return ret;}void clear(){PNode cur = _pHead->_pNext->_pNext;while (cur != _pHead->_pNext){delete cur->_pPre;cur = cur->_pNext;}_pHead->_pNext = _pHead;_pHead->_pPre = _pHead;_size = 0;}void swap(list<T>& l){std::swap(_pHead, l._pHead);std::swap(_size, l._size);}private:void CreateHead(){_pHead = new Node;_pHead->_pNext = _pHead;_pHead->_pPre = _pHead;}PNode _pHead;size_t _size = 0;};
};

5. list的迭代器

由于底层结构的复杂性，list的迭代器不再像string和vector那样可以直接由指针代劳。

我们依然将结点指针作为list迭代器的底层，但是各操作符原本的逻辑已经无法满足我们的需要，均需要进行重载。

于是，我们用ListIterator类对结点的指针进行了包装，并对所需的操作符进行了相应的重载。

//List的迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{typedef ListNode<T>* PNode;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;typedef Ref _Ref;typedef Ptr _Ptr;
public:ListIterator(PNode pNode = nullptr):_pNode(pNode){}ListIterator(const Self& l):_pNode(l._pNode){}T& operator*(){return _pNode->_val;}// 按理来说在使用时需要两个->，但编译器为了可读性做了优化T* operator->(){return &(_pNode->_val);}Self& operator++(){_pNode = _pNode->_pNext;return (*this);}Self operator++(int){Self tmp = (*this);_pNode = _pNode->_pNext;return tmp;}Self& operator--(){_pNode = _pNode->_pPre;return (*this);}Self& operator--(int){Self tmp = (*this);_pNode = _pNode->_pPre;return tmp;}bool operator!=(const Self& l) const{return (this->_pNode != l._pNode);}bool operator==(const Self& l) const{return (this->_pNode == l._pNode);}PNode _pNode;
};

其中Ref代表T的引用，Ptr代表T的指针，根据这两个参数是否被const修饰，我们可以实例化出普通的迭代器和const迭代器：

typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;

6. list反向迭代器

与正向迭代器相比，反向迭代器只是在进行++或--的行为与其不同。

我们可以采用适配器模式（stack和queue也是采用该种模式对其他容器进行包装）来实现反向迭代器：

用迭代器作为反向迭代器的底层，通过对正向迭代器的接口进行包装，使其行为满足我们的需求。

template<class iterator>
struct reverseListIterator
{typedef typename iterator::_Ref Ref;typedef typename iterator::_Ptr Ptr;typedef reverseListIterator<iterator> Self;reverseListIterator(iterator it):_it(it){}Ref operator*(){iterator tmp(_it);--tmp;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& rit) const{return _it == rit._it;}bool operator!=(const Self& rit) const{return _it != rit._it;}iterator _it;
};

 同理，我们可以定义出普通反向迭代器和const反向迭代器：

typedef reverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
typedef reverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;

7. list和vector的区别

容器	list	vector
底层结构	带头结点的双向循环链表	动态顺序表，一段连续空间
随机访问	不支持随机访问，访问某个元素效率O(N)	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高，不需要搬移元素，时间复杂度为O(1)	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
空间利用率	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	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
迭代器	对原生态指针(节点指针)进行封装	原生态指针
迭代器失效	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	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
使用场景	大量插入和删除操作，不关心随机访问	需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率