C++ STL之list的使用及模拟实现

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1. 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来说这可能是一个重要的因素）。

图示：

想要具体了解其底层数据结构可以参照：线性表之双向链表

2. list类的使用

2.1 list类对象的构造函数

(constructor)构造函数代码	功能说明
explicit list (const allocator_type& alloc = allocator_type());	（默认构造函数）构造一个空的容器，没有任何元素。
explicit list (size_type n, const value_type& val = value_type(), const allocator_type& alloc = allocator_type());	（填充构造函数）构造一个具有 n 个元素的容器。每个元素都是 val 的副本。
template <class InputIterator> list (InputIterator first, InputIterator last, const allocator_type& alloc = allocator_type());	（范围构造函数）构造一个与范围[first, last)中的元素数量相同的容器，每个元素都是从该范围中的相应元素构造而来，顺序相同。
list (const list& x);	（拷贝构造函数）构造一个与 x 中的每个元素副本相同顺序的容器。

实例：

// constructing lists
#include <iostream>
#include <list>

int main()
{
    // 按照上述描述的顺序使用的构造函数
    std::list<int> first;                                // empty list of ints
    std::list<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100
    std::list<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through second
    std::list<int> fourth(third);                       // a copy of third

    // the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
    int myints[] = { 16,2,77,29 };
    std::list<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));

    std::cout << "The contents of fifth are: ";
    for (std::list<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); it++)
        std::cout << *it << ' ';

    std::cout << '\n';

    return 0;
}

输出结果：

2.2 list类对象的容量操作

函数名称	代码	功能说明
empty	bool empty() const;	返回 list 容器是否为空（即其大小是否为0）。
size	size_type size() const;	返回 list 容器中元素的个数。
max_size	size_type max_size() const;	返回 list 容器中可以容纳的最大元素的数量。

2.3 list类对象的修改操作

函数名称	代码	功能说明
assign	template <class InputIterator> void assign (InputIterator first, InputIterator last); void assign (size_type n, const value_type& val);	对 list 容器进行赋值，替换其当前内容，并相应地修改其大小。
push_front	void push_front (const value_type& val);	在 list 容器开头插入一个新元素 val。
pop_front	void pop_front();	删除 list 容器中第一个元素。
push_back	void push_back (const value_type& val);	在 list 容器最后插入一个新元素 val。
pop_back	void pop_back();	删除 list 容器中最后一个元素。
insert	iterator insert (iterator position, const value_type& val); void insert (iterator position, size_type n, const value_type& val); template <class InputIterator> void insert (iterator position, InputIterator first, InputIterator last);	在指定位置 position 之前插入新元素 val、n 个 val或者迭代器区间[first, last)范围的元素。
erase	iterator erase (iterator position); iterator erase (iterator first, iterator last);	删除 position 位置的元素或者迭代器区间[first, last)范围的元素。
swap	void swap (list& x);	与另一个相同类型的 list 容器 x 交换内容。存在一个同名的非成员函数 swap，重载该算法的意义是优化交换时间。
resize	void resize (size_type n, value_type val = value_type());	改变容器的大小，使其包含 n 个元素。如果 n 小于当前容器的大小，则内容将被缩减为其前 n 个元素，并移除超出范围的元素。如果 n 大于当前容器的大小，则通过在末尾插入所需数量的元素来扩展内容，使其大小达到 n。如果指定了 val，则新元素将被初始化为 val 的副本；否则，它们将进行值初始化。
clear	void clear();	从 list 容器中移除所有元素，使容器的大小变为0。

2.4 list类对象的访问及遍历操作

函数名称	代码	功能说明
front	reference front(); const_reference front() const;	返回 list 容器中第一个元素的引用。
back	reference back(); const_reference back() const;	返回 list 容器中最后一个元素的引用。

遍历操作

#include <iostream>
#include <list>

int main()
{
	std::list<int> lt(10, 100);

	// 1. 迭代器遍历
	for (std::list<int>::iterator it = lt.begin(); it != lt.end(); ++it)
		std::cout << *it << " ";
	std::cout << '\n';

	// 2. 范围for遍历
	for (auto e : lt)
		std::cout << e << " ";
	std::cout << '\n';

	return 0;
}

运行结果：

解释

1. 迭代器遍历：

• 首先，通过lt.begin()获取列表的起始迭代器，lt.end()获取列表的结束迭代器。
• 使用std::list<int>::iterator it定义一个迭代器变量，并将其初始化为列表的起始迭代器。
• 使用迭代器变量it进行循环迭代，从列表的起始位置迭代到结束位置（不包括结束位置）。
• 在循环中，通过*it访问当前迭代器指向的元素，并输出到标准输出流std::cout中。

2. 范围for循环遍历：

• 使用auto关键字和范围for循环语法，遍历列表lt中的每个元素。
• 在每次迭代中，将当前元素赋值给变量e。
• 在循环体内，输出变量e的值到标准输出流std::cout中。

3. list类的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;

namespace my_list
{   
    // List的节点类
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode(const T& val = T())
            :_pPre(nullptr)
            ,_pNext(nullptr)
            ,_val(val)
        {}
        ListNode<T>* _pPre;
        ListNode<T>* _pNext;
        T _val;
    };

    //List的迭代器类
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    class List_iterator
    {
        typedef ListNode<T>* PNode;
        typedef List_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
    public:
        List_iterator(PNode pNode = nullptr)
        {
            _pNode = pNode;
        }

        List_iterator(const Self& l)
        {
            _pNode = l._pNode;
        }

        Ref operator*()
        {
            return _pNode->_val;
        }

        Ptr 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)
        {
            return _pNode != l._pNode;
        }

        bool operator==(const Self& l)
        {
            return _pNode == l._pNode;
        }
        
        PNode GetNode()
        {
            return _pNode;
        }

    private:
        PNode _pNode;
    };

    // 反向迭代器——对正向迭代器的接口进行包装
    template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
    struct Reverse_iterator
    {
        Iterator _it;
        typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;

        Reverse_iterator() {}

        Reverse_iterator(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& s)
        {
            return _it != s._it;
        }

        bool operator==(const Self& s)
        {
            return _it == s._it;
        }
    };

    //list类
    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef Node* PNode;
    public:
        typedef List_iterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef List_iterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
        typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
        typedef Reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;

    public:
        
        ///
        // List Iterator
        iterator begin()
        {
            return _pHead->_pNext;
        }

        iterator end()
        {
            return _pHead;
        }
        
        const_iterator begin() const
        {
            return const_iterator(_pHead->_pNext);
        }

        const_iterator end() const
        {
            return const_iterator(_pHead);
        }

        reverse_iterator rbegin()
        {
            return reverse_iterator(end());
        }

        reverse_iterator rend()
        {
            return reverse_iterator(begin());
        }

        const_reverse_iterator rbegin() const
        {
            return const_reverse_iterator(end());
        }

        const_reverse_iterator rend() const
        {
            return const_reverse_iterator(begin());
        }

        ///
        // List 构造/赋值
        list()
        {
            CreateHead();
        }

        list(int n, const T& value = T())
        {
            CreateHead();
            while (n--)
            {
                push_back(value);
            }
            _size = n;
        }

        list(int n, T& value = T())
        {
            CreateHead();
            while (n--)
            {
                push_back(value);
            }
            _size = n;
        }

        template <class Iterator>
        list(Iterator first, Iterator last)
        {
            CreateHead();
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                first++;
                _size++;
            }
        }

        list(const list<T>& l)
        {
            CreateHead();
            for (auto it : l)
            {
                push_back(it);
                _size++;
            }
        }

        void swap(list<T>& l)
        {
            std::swap(this->_pHead, l._pHead);
            std::swap(this->_size, l._size);
        }
        
        list<T>& operator=(list<T> l)
        {
            swap(l);
            return *this;
        }

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

        ///
        // List Capacity
        size_t size()const
        {
            return _size;
        }

        bool empty()const
        {
            return _size == 0;
        }


        
        // List Access
        T& front()
        {
            assert(!empty());
            return _pHead->_pNext->_val;
        }
       
        const T& front()const
        {
            assert(!empty());
            return _pHead->_pNext->_val;
        }

        T& back()
        {
            assert(!empty());
            return _pHead->_pPre->_val;
        }

        const T& back()const
        {
            assert(!empty());
            return _pHead->_pPre->_val;
        }


        
        // List Modify
        void 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 tmp = new Node(val);
            PNode cur = pos.GetNode();
            PNode pre = cur->_pPre;
            tmp->_pNext = cur;
            tmp->_pPre = pre;
            pre->_pNext = tmp;
            cur->_pPre = tmp;
            _size++;
            return tmp;
        }

        // 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
        iterator erase(iterator pos)
        {
            PNode cur = pos.GetNode();
            PNode next = cur->_pNext;
            PNode pre = cur->_pPre;
            delete cur;
            pre->_pNext = next;
            next->_pPre = pre;
            _size--;
            return next;
        }

        void clear()
        {
            iterator it = begin();
            while (it != end())
            {
                it = erase(it);
            }
        }
        
    private:
        // 创建头结点
        void CreateHead()
        {
            _pHead = new Node;
            _pHead->_pNext = _pHead->_pPre = _pHead;
        }

        PNode _pHead;
        size_t _size = 0;
    };
};

注意

这里实现的反向迭代器类模板同样也可以适配到vector类和string类中。