【C++心愿便利店】No.14---C++之探索list底层原理

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

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。

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

1.2.4 list element access

1.2.5 list modifiers

1.2.6 list operations

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

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;}
}
——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
// 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