list
一、list-简单介绍
list是一个可以在常熟范围内任意位置进行插入和删除的序列式容器。底层是带头双向循环链表（链接中有对带头双向循环链表的逻辑分析）。
二、list的常用接口
1.常见构造
| (constructor)构造函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| list() | 无参构造 |
| list(size_type n, const T& val = T() | 构造并初始化n个val |
| list(const list& x) | 拷贝构造 |
| list(InputIterator first, InputIterator last) | 使用迭代器[first, last)区间中的元素初始化构造list |
test:
void test_constructor()
{
list<int> lt1; //无参构造
list<int> lt2(4, 25); //构造并初始化n个val
list<int> lt3(l2.begin(), l2.end()); //用lt2的[first, last)区间构造
list<int> lt4(l3); //拷贝构造
}
2.iterator的使用
注意：list的迭代器和vector string不同。vector和string的迭代器都是原生指针，而list的迭代器是一个封装起来的指针。
| iterator的使用 | 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） |
一个正向迭代器一个反向迭代器，注意使用规则，前者++迭代器向后移动，后者++迭代器向前移动。
test:
void test_iterator()
{
int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
list<int> lt(arr, arr + sz);
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
//反向迭代器
list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
while (rit != lt.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
}
3.Capacity和Element access
| 函数名称 | 接口说明 |
|---|---|
| size | 返回list中的有效节点个数 |
| empty | 判断是否为空 |
| 函数名称 | 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 |
test:
void test_capacity_elementAccsee()
{
list<int> lt;
lt.push_back(77);
lt.push_back(22);
//头节点的值-尾节点的值
lt.front() -= lt.back();
cout << lt.front() << endl;
cout << "size:" << lt.size() << endl;
cout << "empty:" << lt.empty() << endl;
}
4.Modifiers
| 函数名称 | 接口说明 |
|---|---|
| push_front | 头插 |
| pop_front | 头删 |
| push_back | 尾插 |
| pop_back | 尾删 |
| erase | 删除pos位置的数据 |
| insert | 在pos之前插入val |
| swap | 交换两个list的元素 |
| clear | 情况list的有效元素 |
test: 头插 头删 尾插 尾删
void test_Modifiers1()
{
list<int> lt;
//头插
lt.push_front(1);
lt.push_front(2);
//尾插
lt.push_back(10);
lt.push_back(20);
//范围for
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//头删
lt.pop_front();
//尾删
lt.pop_back();
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
test: 插入 删除 交换 清理
void test_Modifiers2()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
Print(lt);
//获取链表第二个节点
list<int>::iterator pos = lt.begin();
cout << *(++pos) << endl;
//在pos前插入值为100的元素
lt.insert(pos, 100);
Print(lt);
//在pos前插入值5个5
lt.insert(pos, 5, 5);
Print(lt);
//在pos前插入[v.begin(), v.end())区间的元素
vector<int> v{ 6, 6, 6 ,6 };
lt.insert(pos, v.begin(), v.end());
Print(lt);
//删除操作
//删除pos位置上的元素 -- 特别注意一下迭代器失效问题（下个知识点介绍）
lt.erase(pos);
Print(lt);
// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
lt.erase(lt.begin(), lt.end());
Print(lt);
list<int> lt1{ 6, 6, 6 ,6 };
lt1.swap(lt);
cout << "lt::empty:" << lt.empty() << endl;
cout << "lt1::empty:" << lt1.empty() << endl;
lt.clear();
cout << "new_lt::empty:" << lt.empty() << endl;
}
5.list的迭代器失效
在list中迭代器失效即迭代器指向的节点是无效的，即该节点被删除了。因为list的底层是带头双向循环列表，所以在插入元素时，不会导致liet迭代器失效，只有删除时指向删除节点的那个迭代器失效，其他的迭代器不受影响。
错误代码：
void test_iterator_invalid()
{
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
list<int> lt(arr, arr + sz);
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//erase()执行完之后，it所指向的节点已经被删除，因此it无效，下次使用必须重新赋值
lt.erase(it);
++it; //err 迭代器失效
}
}
改正：
void test_iterator_invalid()
{
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
list<int> lt(arr, arr + sz);
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
lt.erase(it++); //it = lt.erase(it);
}
}
三、list实现
list类整体实现代码
注意：这里就不单列出来一部分成员函数进行介绍了，因为重要的在string类和vector类都进行了重点讲解。
反向迭代器在list类实现中不进行介绍，在最后单列一个知识点讲解
#include <assert.h>
namespace kpl
{
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _prev;
ListNode<T>* _next;
T _val;
//初始化
ListNode(const T& val = T())
: _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
, _val(val)
{}
};
//List 的迭代器:将原生态指针进行封装
template<class T, class Ref, class Ptr>
class ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
public:
// Ref 和 Ptr 类型重定义，在实现反向迭代器时便于使用。就不需要再模板传参时传Ref和Ptr
typedef Ref Ref;
typedef Ptr Ptr;
// 构造
ListIterator(Node* node = nullptr)
: _node(node)
{}
// 在模板中多加一个参数Ref的原因是：区分const返回
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
//Ptr：区分const返回
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
_node = _node->_next;
return temp;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
_node = _node->_prev;
return temp;
}
// 比较
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _node != l._node;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _node != l._node;
}
Node* _node;
};
//反向迭代器借用正向迭代器实现
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
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;
}
// 比较
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
Iterator _it;
};
//list类模板的实现
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
// 正向迭代器
// 这里就也可以看出传三个模板参数的原因。不值得再去写一个const修饰的模板，普通的迭代器和const修饰的迭代器区别就在于部分成员函数的返回值，所以多传递两个参数即可
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
// 反向迭代器
typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
public:
// List的构造
list()
{
CreateHead(); //因为很多地方都会使用这部分代码，所以进行封装，方便调用
}
list(int n, const T& value = T())
{
CreateHead();
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(value);
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
//拷贝构造
list(const list<T>& l)
{
CreateHead();
// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换。也可以一次赋值
list<T> temp(l.begin(), l.end());
swap(temp);
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
// List的迭代器
iterator begin()
{
//or return _head->_next;
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
//or return _head;
return iterator(_head);
}
const_iterator begin()const
{
//or return _head->_next;
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end()const
{
//or return _head；
return const_iterator(_head);
}
//反向迭代器
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());
}
// capacity相关
size_t size()const
{
//在实现size时，也可以通过给list类增减一个size_t类型的成员变量，然后返回
Node* cur = _head->_next;
size_t count = 0;
while (cur != _head)
{
count++;
cur = cur->_next;
}
return count;
}
bool empty()const
{
return _head->_next == _head;
}
void resize(size_t newsize, const T& data = T())
{
size_t oldsize = size();
if (newsize <= oldsize)
{
// 有效元素个数减少到newsize
while (newsize < oldsize)
{
pop_back();
oldsize--;
}
}
else
{
while (oldsize < newsize)
{
push_back(data);
oldsize++;
}
}
}
// List的元素访问操作
// 注意：List不支持operator[]
T& front()
{
return _head->_next->_val;
}
const T& front()const
{
return _head->_next->_val;
}
T& back()
{
return _head->_prev->_val;
}
const T& back()const
{
return _head->_prev->_val;
}
// List的插入和删除
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* pNewNode = new Node(val);
Node* cur = pos._node;
// 先将新节点插入
pNewNode->_prev = cur->_prev;
pNewNode->_next = cur;
pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
cur->_prev = pNewNode;
return iterator(pNewNode);
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;
return next;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
_head->_next = _head->_prev = _head;
}
void swap(list<T>& l)
{
std::swap(_head, l._head);
}
private:
void CreateHead()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
Node* _head;
};
}
四、vector 和 list 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 |
| 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 |
| 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 |
五、迭代器
1.迭代器的实现
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：
- 原生态指针，比如：vector
- 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：
- 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
- 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->()
- 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
- 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->()。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（单链表）就不需要重载–。
- 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()
2.迭代器的分类（按照功能分类）
3.反向迭代器
(1)、包装逻辑
(2)、代码
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，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
//typename和class的区别会在模板的博客中进行介绍
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
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;
}
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
Iterator _it;
};
注意
//迭代器对箭头进行了重载，返回的是一个指针
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
虽然重载了->但是在使用的时候，会发现一个问题。
eg:
struct A
{
A(int a1 = 0, int a2 = 0)
:_a1(a1)
, _a2(a2)
{}
int _a1;
int _a2;
};
void test_iterator()
{
list<A> lt;
lt.push_back(A(1, 1));
lt.push_back(A(2, 2));
lt.push_back(A(3, 3));
list<A>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << endl;
cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;
++it;
}
cout << endl;
}
