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C++——list

目录

前言

一、list

1.1 list的介绍

1.2 list的使用

1.2.1 list的构造

1.2.2 list iterator的使用

1.2.3 list capacity

1.2.4 list element access

1.2.5 list modifiers

1.2.6 list的迭代器失效

二、list的模拟实现

2.1 模拟实现list

三、list与vector的对比

总结


前言

今天我们来了解C++中STL库中的list,相当于我们之前讲过C语言数据结构中的带头双向循环链表。了解list的使用和模拟实现。


一、list

1.1 list的介绍

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说这 可能是一个重要的因素)
list文档介绍:list文档介绍

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 (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)[first, last)区间中的元素构造list
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;
}

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, end 位置 返回最后一个元素下一个位置的
reverse_iterator, 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
void test2()
{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;
}

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_frontlist首元素前插入值为val的元素
pop_front删除list中第一个元素
push_backlist尾部插入值为val的元素
pop_back删除list中最后一个元素
insertlist 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
void test3()
{int arr[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));print(L);//尾插4,头插0//删除尾部和头部节点L.push_back(4);L.push_front(0);print(L);L.pop_back();L.pop_front();print(L);//insert/erase//获取链表中的第二个元素auto pos = ++L.begin();//pos前插入4L.insert(pos, 4);//pos前插入5个元素为5的数值L.insert(pos, 5, 3);print(L);//在pos前插入v.begin、v.end之间的元素vector<int> v{ 7, 8, 9 };L.insert(pos, v.begin(), v.end());print(L);//删除pos上的元素L.erase(pos);print(L);//删除list中的所有元素L.clear();print(L);
}
list中还有一些操作,需要用到时大家可参阅list的文档说明。

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;}
}
// 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 模拟实现list

namespace bit {template<class T>struct ListNode {ListNode<T>* _prev;//前驱节点ListNode<T>* _next;//后继节点T _date;//数据//节点的构造ListNode(const T& date = T()):_prev(nullptr), _next(nullptr),_date(date){}};/*template<class T>struct ListConstIterator {typedef ListNode<T> Node;typedef ListConstIterator<T> Self;Node* _node;ListConstIterator(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;}Self& operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}const T& operator*(){return _node->_date;}const T* operator->(){return &_node->_date;}bool operator!=(const Self& l){return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l){return _node == l.node;}};*/template<class Iterator, class Ref, class Ptr>struct reverse_iterator{Iterator _it;reverse_iterator(Iterator it):_it(it){}Iterator& operator++(){--_it;return _it;}Iterator operator++(int){Iterator temp = _it;--_it;return temp;}Iterator& operator--(){++_it;return _it;}Iterator& operator--(int){Iterator temp = _it;;++_it;return temp;}Ref operator*(){Iterator tmp = _it;return *tmp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}bool operator!=(const reverse_iterator& l){return _it !=l._it;}bool operator==(const reverse_iterator& l){return _it !=l._it;}};template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator {typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;ListIterator(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->_date;}Ptr operator->(){return &_node->_date;}bool operator!=(const Self& l){return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l){return _node == l.node;}};template<class T>class list {public:typedef ListNode<T> Node;//写两个不同的模板/*	typedef ListIterator<T> iterator;typedef ListConstIterator<T> const_iterator;*///传不同的类型typedef ListIterator<T,T&,T*> iterator;typedef ListIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;//反向迭代器typedef reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;iterator begin(){return iterator(_head->_next);}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(_head->_prev);}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(_head);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}list(const list<T>& l){empty_init();for (const auto& e: l){push_back(e);}}list(initializer_list<T> l){empty_init();for (const auto& e : l){push_back(e);}}list<T>& operator=(list<T> l){swap(_head, l._head);return *this;}void Clear(){auto it1 = begin();while (it1 != end()){it1=erase(it1);}}~list(){Clear();delete _head;_head = nullptr;}void push_back(const T& date){Node* newnode = new Node(date);Node* tail = _head->_prev;//newnode head tail;_head->_prev = newnode;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;}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& date){Node* newnode = new Node(date);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;//newnode cur prevprev->_next = newnode;cur->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;return iterator(newnode);}// 删除pos位置的节点,返回该节点的下一个位置iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;delete[] cur;prev->_next = next;next->_prev = prev;return iterator(next);}private:Node* _head;};

三、listvector的对比

vector与list都是STL中非常重要的序列式容器,由于两个容器的底层结构不同,导致其特性以及应用场景不同,其主要不同如下:
vectorlist
动态顺序表,一段连续空间带头结点的双向循环链表
访
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)
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)
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
原生态指针
对原生态指针(节点指针)进行封装
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
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

总结

上述文章我们讲了list的使用和模拟实现,希望对你有所帮助。

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