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前言
list类的的模拟实现、ist的迭代器失效问题 以及 list与vector的对比。配套博客:【C++】list(上)：list类的常用接口介绍
一、list类的模拟实现
1.list类的整体框架（声明）
#include <assert.h>
#include <algorithm>
#include <initializer_list>
using namespace std;
namespace zh
{
// list的节点类
template<class T>
struct listnode
{
listnode(const T& val = T());
listnode<T>* _pre;
listnode<T>* _next;
T _val;
};
// list的迭代器类
template<class T,class reference,class pointer>
struct listiterator
{
typedef listnode<T> node;
typedef listiterator<T, reference, pointer> lsiter;
listiterator(node* fnode = nullptr); // 默认构造
listiterator(const lsiter& it); // 拷贝构造
lsiter& operator=(const lsiter& it);
reference operator*();
pointer operator->();
lsiter& operator++();
lsiter operator++(int); // 后置++
lsiter& operator--();
lsiter operator--(int); // 后置--
bool operator!=(const lsiter& it);
bool operator==(const lsiter& it);
node* _node;
};
// list类
template<class T>
class list
{
typedef listnode<T> node;
void greate_sentinel_guard() // 创建哨兵卫
{
_head = new node;
_head->_pre = _head;
_head->_next = _head;
}
public:
typedef listiterator<T, T&, T*> iterator;
typedef listiterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
///
// List的构造
list();
list(int n, const T& value = T());
template <class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last);
list(initializer_list<T> il);
list(const list<T>& lst);
list<T>& operator=(list<T> lst);
~list();
///
// List Iterator
iterator begin();
iterator end();
const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;
///
// List Capacity
size_t size()const;
bool empty()const;
// List Access
T& front();
const T& front() const;
T& back();
const T& back() const;
// List Modify
void push_back(const T& val);
void pop_back();
void push_front(const T& val);
void pop_front();
// 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val);
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos);
void clear();
void swap(list<T>& lst);
private:
node* _head;
size_t _size = 0;
};
}
2.list的节点类模拟实现
namespace zh
{
// list的节点类
template<class T>
struct listnode
{
listnode(const T& val = T())
:_pre(nullptr)
,_next(nullptr)
,_val(val)
{ }
listnode<T>* _pre;
listnode<T>* _next;
T _val;
};
}
3.list的迭代器类模拟实现
namespace zh
{
// list的迭代器类
template<class T,class reference,class pointer>
struct listiterator
{
typedef listnode<T> node;
typedef listiterator<T, reference, pointer> lsiter;
listiterator(node* fnode = nullptr)
:_node(fnode)
{ }
listiterator(const lsiter& it)
{
_node = it._node;
}
lsiter& operator=(const lsiter& it)
{
_node = it._node;
return *this;
}
reference operator*()
{
return _node->_val;
}
pointer operator->()
{
return &_node->_val;
}
lsiter& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
lsiter operator++(int)
{
lsiter tmp(_node);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
lsiter& operator--()
{
_node = _node->_pre;
return *this;
}
lsiter operator--(int)
{
lsiter tmp(_node);
_node = _node->_pre;
return tmp;
}
bool operator!=(const lsiter& it)
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const lsiter& it)
{
return _node == it._node;
}
node* _node;
};
}
4.list类的常用接口的模拟实现
namespace zh
{
//list类
template<class T>
class list
{
typedef listnode<T> node;
void greate_sentinel_guard() // 创建哨兵卫
{
_head = new node;
_head->_pre = _head;
_head->_next = _head;
}
public:
typedef listiterator<T, T&, T*> iterator;
typedef listiterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
///
// List的构造
list()
{
greate_sentinel_guard();
}
list(int n, const T& value = T())
{
greate_sentinel_guard();
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
template <class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
greate_sentinel_guard();
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
list(initializer_list<T> il)
{
greate_sentinel_guard();
auto it = std::begin(il);
while (it != std::end(il))
{
push_back(*it);
it++;
}
}
list(const list<T>& lst)
{
greate_sentinel_guard();
for (const auto& it : lst)
{
push_back(it);
}
}
list<T>& operator=(list<T> lst)
{
swap(lst);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
///
// List Iterator
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
///
// List Capacity
size_t size()const
{
return _size;
}
bool empty()const
{
return _size == 0;
}
// List Access
T& front()
{
assert(_size != 0);
return *begin();
}
const T& front() const
{
assert(_size != 0);
return *begin();
}
T& back()
{
assert(_size != 0);
return *(--end());
}
const T& back() const
{
assert(_size != 0);
return *(--end());
}
// 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)
{
node* newnode = new node(val);
node* pre = pos._node->_pre;
pre->_next = newnode;
newnode->_pre = pre;
newnode->_next = pos._node;
pos._node->_pre = newnode;
_size++;
return --pos;
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(_size != 0);
node* pre = pos._node->_pre;
pre->_next = pos._node->_next;
pos._node->_next = pre;
delete pos._node;
_size--;
return iterator(pre->_next);
}
void clear()
{
node* cur = _head->_next;
node* next = cur->_next;
_head->_next = _head;
_head->_pre = _head;
while (cur != _head)
{
delete cur;
cur = next;
next = cur->_next;
}
_size = 0;
}
void swap(list<T>& lst)
{
std::swap(_head, lst._head);
std::swap(_size, lst._size);
}
private:
node* _head;
size_t _size = 0;
};
}
二、list的迭代器失效问题
list作为双向链表，它的迭代器失效情况比vector少很多。因为vector的元素是连续存储的，在插入元素时，可能会扩容导致内存重新分配，所有迭代器都失效，即使容量足够，插入位置及其之后的迭代器也会失效。而list的每个元素独立存储，通过指针连接，list的插入操作（如push_back、push_front、insert）不会使任何现有的迭代器失效；而删除操作（如erase、pop_back、pop_front等）会导致指向被删除元素的迭代器、指针和引用失效，但其他迭代器仍然有效。比如，删除一个节点后，指向它的迭代器就无效了，但其他节点的迭代器不受影响。
#include <list>
using namespace std;
int main()
{
list<int> lst{ 1,2,3,4,5,6 };
auto it = lst.begin();
while (it != lst.end())
{
lst.erase(it);
// 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
++it;
}
return 0;
}
修正后：
#include <list>
using namespace std;
int main()
{
list<int> lst{ 1,2,3,4,5,6 };
auto it = lst.begin();
while (it != lst.end())
{
it = lst.erase(it);
// 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
}
return 0;
}
三、list与vector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：
| vector | list | |
|---|---|---|
| 底层结构 | 动态顺序表（数组），一段连续空间 | 带哨兵节点的双向循环链表 |
| 元素访问 | 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（早期库中实现方式） | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 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 |
四、反向迭代器（了解）
反向迭代器本质是⼀个适配器，使用模版实现，传递哪个容器的迭代器就可以封装适配出对应的反向迭代器。因为反向迭代器的功能跟正向的迭代器功能高度相似，只是遍历的方向相反，类似operator++ 底层调用迭代器的 operator-- 等，所以封装一下就可以实现。
namespace zh
{
// 用正向迭代器适配出的反向迭代器
template<class iterator, class reference, class pointer>
struct reverseiterator
{
typedef reverseiterator<iterator, reference, pointer> reiter;
reverseiterator(iterator it = iterator())
:_it(it)
{ }
reverseiterator(const reiter& it)
{
_it = it._it;
}
reiter& operator=(const reiter& it)
{
_it = it._it;
return *this;
}
reference operator*()
{
iterator tmp = _it;
tmp--;
return *tmp;
}
pointer operator->()
{
return &(operator*());
}
reiter& operator++()
{
_it--;
return *this;
}
reiter operator++(int)
{
reiter tmp(*this);
_it--;
return tmp;
}
reiter& operator--()
{
_it++;
return *this;
}
reiter operator--(int)
{
reiter tmp(*this);
_it++;
return tmp;
}
bool operator!=(const reiter& it)
{
return _it != it._it;
}
bool operator==(const reiter& it)
{
return _it == it._it;
}
iterator _it;
};
// list类与反向迭代器相关联部分节选 //
template<class T>
class list
{
typedef listnode<T> node;
void greate_sentinel_guard() // 创建哨兵卫
{
_head = new node;
_head->_pre = _head;
_head->_next = _head;
}
public:
typedef listiterator<T, T&, T*> iterator;
typedef listiterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
typedef reverseiterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
typedef reverseiterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
///
// List的构造
list()
{
greate_sentinel_guard();
}
///
// List Iterator
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
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());
}
private:
node* _head;
size_t _size = 0;
};
}
反向迭代器的operator*的实现方式比较特殊，内部访问的是迭代器当前位置的前⼀个位置。这个要结合容器中rbegin和rend实现才能看懂，rbegin返回的是封装end位置的反向迭代器，rend返回的是封装begin位置迭代器的反向迭代器，这里是为了实现出⼀个对称，所以解引用访问的是当前位置的前⼀个位置。
