[ C++ ] STL_list 使用及其模拟实现

本篇博客学习有关STL库中list的使用及其重要接口的模拟实现。

1.list的介绍及使用

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，我们只需要熟悉使用常用的接口以及深入研究其背后的原理即可。

2.list的迭代器

list的迭代器是一个自定义类型的指针，该指针指向list中的某个节点

List 的迭代器
迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：
1. 原生态指针，比如：vector
2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
        1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
        2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
        3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
            至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表
            可以向前移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--
        4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

我们首先实现一个简单的list的iterator

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

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、rebegin(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。

// T T& 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)
{}

Ref operator*()
{
return _node->_data;
}

Ptr operator->()
{
//返回的是节点数据的地址 AA*
return &_node->_data;
}

self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}

//后置++
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//后置--
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
bool operator!=(const self& it)
{
return _node != it._node;
}

bool operator==(const self& it)
{
return

3.list的构造

构造函数( constructor)
list()	构造空的list
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 (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

构造空的list：

list()
{
_head = new Node();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}

拷贝构造函数：

list(const list<T>& lt)
{
_head = new Node();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;

for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}

}

用[first, last)区间中的元素构造list：

template <class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
_head = new Node();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;

while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}

4. list capacity


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

5. list常用接口

函数声明
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

5.1 insert

1、首先创建一个新节点newnode，赋值为x。

2、创建两个指针，cur指向pos位置的节点，prev指向pos位置之前的节点

3、prev newnode cur 三个指针依次连接，返回newnode的迭代器。

代码实现：

//插入在pos位置之前
iterator insert(iterator pos, const{
Node* newNode = new Node(x);
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
//prev newnode cur
prev->_next = newNode;
newNode->_prev = prev;
newNode->_next = cur;
cur->_prev = newNode;
return iterator(newNode);
}

5.2 push_front

1、我们复用insert即可，头插就是在第一个元素前插入一个元素，因此我们只需要insert(begin(),x)即可

代码实现：

void push_front(const{
insert(begin(), x);
}

5.3 push_back

1、尾插，就是在最后一个节点后插入新节点，我们依然可以复用insert,由于我们实现的list是双向循环链表，因此我们只需要在end前插即可

void push_back(const{
//Node* tail = _head->_prev;
//Node* newnode = new Node(x);
//// _head tail newnode
//tail->_next = newnode;
//newnode->_prev = tail;
//newnode->_next = _head;
//_head->_prev = newnode;

insert(end(), x);
}

5.4 erase

1、首先创建3个指针，cur指向pos位置的节点，prev指向pos位置的前一个节点，next指向pos位置的后一个节点。

2、让prev和next相互连接

3、delete掉cur，返回next指针指向节点的迭代器

代码实现：

//删除后指向erase(it)之后的节点
iterator erase(iterator pos){
assert(pos != end());
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;

//prev next
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;

return iterator(next);
}

5.5 pop_front

头删，复用erase即可

代码实现：

void pop_front(){
erase(begin());
}

5.6 pop_back

尾删，复用erase即可

void pop_back(){
erase(--end());
}

5.7 swap

list的swap交换，只要交换两个链表的head，即可讲两个链表相互交换

void swap(list<T>& lt){
std::swap(_head, lt._head);
}

5.8 clear

链表的clear：我们需要将链表的每一个节点释放掉，因此我们使用迭代器时erase即可。

void clear(){
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}

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。

我们来看这段代码：

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;
}
}

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。

代码改正：

我们在删除it的时候，让it++即可巧妙地解决这个问题。

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);

7. list 和 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，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

(本篇完)

1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

1.2 list的使用

2.list的迭代器

3.list的构造

4. list capacity

5. list常用接口

5.1 insert

5.2 push_front

5.3 push_back

5.4 erase

5.5 pop_front

5.6 pop_back

5.7 swap

5.8 clear

6.list的迭代器失效

7. list 和 vector 的对比

Recommend

#yyds干货盘点# 前端歌谣的刷题之路-第五十二题-向下取整

Release Anxiety

这些前端新技术你很难再忽视了 —— Monorepo

[CSS入门到进阶] 4行CSS实现footer置底！超常见的需求，快来收藏

是沙棘让我睡得更好啦？

To save lives, issue connected vehicle technology waiver, NTSB tells FCC

JDK1.6中String类的坑，快让我裂开了…

Netflix’s Cyberpunk: Edgerunners anime gets September release date in new traile...

每日算法刷题Day7-比较字符串大小，去掉多余的空格，单词替换

The security flaws that make Twitter’s insider threat so scary

About Joyk