C++ list类
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引言
在C++标准库中，list是一个非常重要的容器类，它实现了双向链表的数据结构。本文将详细介绍C++中list的使用方法，包括其构造函数、迭代器、容量操作、元素访问以及修改操作等。此外，我们还将探讨list的迭代器失效问题，并通过模拟实现一个简单的list类来深入理解其底层工作原理。最后，我们将对比list与vector的优缺点，帮助读者在实际开发中根据需求选择合适的容器。
1.list的使用
1.1 list的构造
| constructor构造函数 | 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 |
1.2 list的iterator的使用
可以先将迭代器理解为一个指针，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,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：
- begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
- 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
迭代器的分类
从功能可以分为四种 iterator,reverse_iterator,const_iterator,const_reverse_iterator。
从性质上又可以分为三种
| 性质 | 使用的类 | 可用操作符 |
|---|---|---|
| 单向 (ForwardIterator) | forward_list / unordered_map … | ++ |
| 双向 (BidirectionalIterator) | list / map / set… | ++ / – |
| 随机 (RandomAccessIterator) | vector / string / deque… | ++ / – / + / - |
由迭代器的底层结构决定可以使用哪些算法
1.3 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 |
1.4 list element acess
| 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 |
1.5 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 |
2. list的迭代器失效
迭代器失效即迭代器所指向的节点无效，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。
代码示例
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);
}
}
3. list的模拟实现
3.1 List.h文件
#pragma once
#include<assert.h>
namespace jason
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data; // 节点存储的数据
list_node<T>* _next; // 指向下一个节点的指针
list_node<T>* _prev; // 指向前一个节点的指针
// 构造函数，初始化节点的数据和指针
list_node(const T& data = T())
:_data(data) // 初始化数据
, _next(nullptr) // 初始化下一个节点指针为空
, _prev(nullptr) // 初始化前一个节点指针为空
{}
};
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{
typedef list_node<T> Node; // 定义节点类型
typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self; // 定义迭代器自身类型
Node* _node; // 当前迭代器指向的节点
// 构造函数，初始化迭代器指向的节点
list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
// 解引用操作符，返回当前节点的数据引用
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
// 箭头操作符，返回当前节点数据的指针
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
// 前置++操作符，迭代器指向下一个节点
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
// 前置--操作符，迭代器指向前一个节点
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
// 后置++操作符，迭代器指向下一个节点，但返回自增前的迭代器
Self operator++(int)
{
Self tmp(*this); // 保存当前迭代器
_node = _node->_next; // 指向下一个节点
return tmp; // 返回自增前的迭代器
}
// 后置--操作符，迭代器指向前一个节点，但返回自减前的迭代器
Self operator--(int)
{
Self tmp(*this); // 保存当前迭代器
_node = _node->_prev; // 指向前一个节点
return tmp; // 返回自减前的迭代器
}
// 不等于操作符，判断两个迭代器是否指向不同的节点
bool operator!=(const Self& s) const
{
return _node != s._node;
}
// 等于操作符，判断两个迭代器是否指向相同的节点
bool operator==(const Self& s) const
{
return _node == s._node;
}
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node; // 定义节点类型
public:
// 定义迭代器类型
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
// 返回指向链表第一个元素的迭代器
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
// 返回指向链表末尾的迭代器（哨兵节点）
iterator end()
{
return _head;
}
// 返回指向链表第一个元素的常量迭代器
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
// 返回指向链表末尾的常量迭代器（哨兵节点）
const_iterator end() const
{
return _head;
}
// 初始化空链表
void empty_init()
{
_head = new Node; // 创建哨兵节点
_head->_next = _head; // 哨兵节点的下一个节点指向自己
_head->_prev = _head; // 哨兵节点的前一个节点指向自己
_size = 0; // 初始化链表大小为0
}
// 默认构造函数，初始化空链表
list()
{
empty_init();
}
// 使用初始化列表构造链表
list(initializer_list<T> il)
{
empty_init();
for (auto& e : il)
{
push_back(e); // 将初始化列表中的元素逐个插入链表
}
}
// 拷贝构造函数
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto& e : lt)
{
push_back(e); // 将另一个链表中的元素逐个插入当前链表
}
}
// 赋值操作符
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt); // 交换当前链表和传入链表的内容
return *this;
}
// 析构函数，释放链表内存
~list()
{
clear(); // 清空链表
delete _head; // 删除哨兵节点
_head = nullptr;
}
// 清空链表
void clear()
{
auto it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it); // 逐个删除链表中的节点
}
}
// 交换两个链表的内容
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head); // 交换哨兵节点
std::swap(_size, lt._size); // 交换链表大小
}
// 在链表末尾插入元素
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x); // 在链表末尾插入元素
}
// 在链表头部插入元素
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x); // 在链表头部插入元素
}
// 在指定位置插入元素
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node; // 当前节点
Node* prev = cur->_prev; // 前一个节点
Node* newnode = new Node(x); // 创建新节点
// 将新节点插入到前一个节点和当前节点之间
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
++_size; // 链表大小加1
return newnode; // 返回指向新节点的迭代器
}
// 删除链表末尾的元素
void pop_back()
{
erase(--end()); // 删除链表末尾的元素
}
// 删除链表头部的元素
void pop_front()
{
erase(begin()); // 删除链表头部的元素
}
// 删除指定位置的元素
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end()); // 确保不删除哨兵节点
Node* prev = pos._node->_prev; // 前一个节点
Node* next = pos._node->_next; // 下一个节点
// 将前一个节点和后一个节点连接起来
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node; // 删除当前节点
--_size; // 链表大小减1
return next; // 返回指向下一个节点的迭代器
}
// 返回链表的大小
size_t size() const
{
return _size;
}
// 判断链表是否为空
bool empty() const
{
return _size == 0;
}
private:
Node* _head; // 哨兵节点
size_t _size; // 链表大小
};
struct AA
{
int _a1 = 1;
int _a2 = 1;
};
// 按需实例化
// T* const ptr1
// const T* ptr2
template<class Container>
void print_container(const Container& con)
{
// const iterator -> 迭代器本身不能修改
// const_iterator -> 指向内容不能修改
typename Container::const_iterator it = con.begin();
//auto it = con.begin();
while (it != con.end())
{
//*it += 10;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : con)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
}
3.2 List的反向迭代器
由于反向迭代器的++就是正向迭代器的–，反向迭代器的–就是正向迭代器的++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变量
// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
//
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}
//
// 具有指针类似行为
Ref operator*(){
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->(){ return &(operator*());}
//
// 迭代器支持移动
Self& operator++(){
--_it;
return *this;
}
Self operator++(int){
Self temp(*this);
--_it;
return temp;
}
Self& operator--(){
++_it;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
//
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
Iterator _it;
};
4.list与vector的对比
| vector | list | |
|---|---|---|
| 底层结构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随机访问 | 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) |
| 插入和删除 | 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) |
| 空间利用率 | 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 |
| 迭代器 | 原生态指针 | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 迭代器失效 | 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 |
| 使用场景 | 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 |