【STL容器】详解list的使用和模拟实现

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🍎1、list的介绍

1.1.文档中的定义

中文意思是列表是序列容器，允许在序列中的任何位置进行恒定时间O(1)的插入和删除操作，以及双向迭代。

• list的接口/成员函数
  
• 访问元素的接口
  

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)

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。

以下为list中一些常见的重要接口

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

构造List的代码示例

int main ()
{
    list<int> l1; //构造空的list，并且数据类型为int
    list<int> l2(10, 20); //第一个10是数量，20是值， 相当于是构造时有10个元素，每个元素是20
    list<int> l3(l2);//用另一个list对象拷贝构造l3
    list<int> l4(l3.begin(), l3.end());//用l3的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l4
    // 以数组为迭代器区间构造l5
    int array[] = { 16,2,77,29 };
    list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));

    // 列表格式初始化C++11
    list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };

    return 0;
}

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。

iterator的使用	接口说明
begin + end（重点）	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

---

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_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

sort是随机访问迭代器

链表sort的用法：不需要传入链表的首和尾

L.sort();

STL中各种容器的迭代器分类

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);
	 }
}

🍎2、list的模拟实现

分析list的迭代器

• 数组有原生指针，可以当迭代器
• 但是链表没有，链表是随机的物理地址，原生指针不行，所以要封装一个迭代器，通过自己的努力，重载运算符
• list的++和 *解引用都是函数调用，不是自带的。vector的iterator 是原生指针，而list的iterator是自定义类型

list源代码里面的迭代器是有三个参数

实现一个const迭代器，所以要传三个模板参数

template<class T, class Ref, class Ptr>
typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

再实现一个const begin()和 const end()

  const_iterator begin() const
        {
            //return _head->_next;
            return iterator(_head->_next);//第一个节点的指针就是head->_next;
        }
        const_iterator end() const
        {
            return iterator(_head);//end就是哨兵位的头结点
        }

完善list的插入和删除
插入的逻辑

提前把前一个的结点找到

iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
            Node* newNode = new Node(x);//新生成一个空间并且初始化成x
            Node* cur = pos._node;//取迭代器的结点
            //迭代器的实现是对上层透明的
            Node* prev = cur->_prev;//prev是前一个结点的指针
            //prev    newnode   cur
            prev->_next = newNode;
            newNode->_prev = prev;
            newNode->_next = cur;
            cur->_prev = newNode;

            return iterator(newNode);
        }

erase的逻辑

iterator erase(iterator pos)
        {
            assert(pos != end());//不能把哨兵位的头结点删掉
            Node* cur = pos._node;//取到pos位的结点
            Node* prev = cur->_prev;
            Node* next = cur->_next;
            //prev   next
            prev->_next = next;
            next->_prev = prev;
            delete cur;
            return iterator(next);
        }

🍎LIst的模拟实现

#pragma once

#include<assert.h>
#include"Reit.h"
namespace jiang
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _data;

		list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(val)
		{}
	};
	//T是类型，比如是int， Ref是T&， Ptr是T*
	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)
		{}
		//析构函数	-- 节点不属于迭代器，不需要迭代器释放
		//拷贝构造和赋值重载 -- 默认生成的浅拷贝就可以
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}
		self& operator++()//迭代器++返回的还是迭代器
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		self& operator--()//迭代器++返回的还是迭代器
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		self operator++(int)//后置++
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}
		self operator--(int)//后置++
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}
		bool operator != (const self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}
		bool operator==(const self& it)
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> Node;
	public:
		typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		//结点的指针支持隐式类型的转换，转换成迭代器所以写成_head->_next也是可以的
		iterator begin()
		{
			//return _head->_next;
			return iterator(_head->_next);//第一个节点的指针就是head->_next;
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(_head);//end就是哨兵位的头结点
		}
		const_iterator begin() const
		{
			//return _head->_next;
			return  const_iterator(_head->_next);
			//第一个节点的指针就是head->_next;
		}
		const_iterator end() const
		{
			return const_iterator(_head);//end就是哨兵位的头结点
		}
		list()
		{
			_head = new Node();
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		void empty_init()
		{
			_head = new Node();
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		template <class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			empty_init();

			while (first != last) 
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		// 17:00 继续
		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);//交换头指针
		}
		//传统写法,实现深拷贝
		//list(const list<T>& lt)
		//{
		//	_head = new Node();
		//	_head->_next = _head;
		//	_head->_prev = _head;//初始化一个头结点
		//	for (auto e : it)
		//	{
		//		push_back(e);
		//	}
		//}
		// lt2(lt1) -- 现代写法拷贝构造
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
			swap(tmp);
		}

		// lt2 = lt1
		list<T>& operator=(list<T> lt)//为什么要传&返回，减少拷贝构造
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;//delete掉头结点
			_head = nullptr;//头结点置空
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
		void push_back(const T& x)
		{
			//Node* tail = _head->_prev;//找尾,so简单
			//Node* newnode = new Node(x);

			_head      tail    newnode
			//newnode->_next = _head;//先右后左
			//_head->_prev = newnode;
			//tail->_next = newnode;
			//newnode->_prev = tail;
			insert(end(), x);
		}

		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		//插入在pos位置的前一个
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* newNode = new Node(x);//新生成一个空间并且初始化成x
			Node* cur = pos._node;//取迭代器的结点
			//迭代器的实现是对上层透明的
			Node* prev = cur->_prev;//prev是前一个结点的指针
			//prev    newnode   cur
			prev->_next = newNode;
			newNode->_prev = prev;
			newNode->_next = cur;
			cur->_prev = newNode;

			return iterator(newNode);
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());//不能把哨兵位的头结点删掉
			Node* cur = pos._node;//取到pos位的结点
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;
			//prev   next
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;
			return iterator(next);
		}
	private:
		Node* _head;
	};

🍎总结

????这次和大家分享了基本的list的用法以及基础的模拟实现，希望对大家快速上手list有帮助。