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1. list的介绍及使用
1.1 list的介绍
list - C++ Reference
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
1.2.1 list的构造
| 构造函数 | 接口说明 |
| 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(Inputlterator fist,Inputlterator last) | 用(first,last)区间中的元素构造list |
//construting lists
#include <iostream>
#include <list>
int main()
{
std::list<int>l1; //构造空的l1
std::list<int>l2 (4,100);//12中放4个值为100的元素
std::list<int>l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的左闭右开区间构造L3
std::list<int>l4(l3); //用l3拷贝构造l4
//以数组为迭代器区间构造l5
int array[] = { 16,2,77,29 };
std::list<int>l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
//用迭代器方式打印l5中的元素
for (std::list<int>::iterator it = l5.begin(); it != l5.end(); it++)
std::cout << *it << " ";
std::cout << endl;
//C++范围for的方式遍历
for(auto & e : l5)
std::cout << e << " ";
std::cout << endl;
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
| 函数声明 | 接口说明 |
| list::begin - C++ Reference+list::end - C++ Reference | 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 |
| list::rbegin - C++ Reference+list::rend - C++ Reference | 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】
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void print_list(const list<int> & l)
{
//注意这里调用的是list的begin()const,返回list的const_iterator对象
for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
//*it = 10编译不通过
}
cout << endl;
}
int main()
{
int array[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
list<int>l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[10]));
//使用正向迭代器正向list中的元素
for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
cout << *it << " ";
cout << endl;
//使用反向迭代器逆向打印list中的元素
for (list<int>::reverse_iterator it = l.rbegin(); it != l.rend(); ++it)
cout << *it << " ";
cout << endl;
return 0;
}1.2.3 list capacity
| 函数声明 | 接口说明 |
| list::empty - C++ Reference | 检验list是否为空，是返回true,否则返回false |
| list::size - C++ Reference | 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 |
| list::front - C++ Reference | 返回list的第一个结点中值的引用 |
| list::back - C++ Reference | 返回list的最后一个节点中值的引用 |
1.2.5 list modififiers
| 函数声明 | 接口说明 |
| list::push_front - C++ Reference | 在list首元素前插入值为val的元素 |
| list::pop_front - C++ Reference | 删除list中的第一个元素 |
| list::push_back - C++ Reference | 在list尾部插入值为val的元素 |
| list::pop_back - C++ Reference | 删除list中的最后一个元素 |
| list::insert - C++ Reference | 在list position位置中插入值为val的元素 |
| list::erase - C++ Reference | 删除list position位置的元素 |
| list::swap - C++ Reference | 交换两个list中的元素 |
| list::clear - C++ Reference | 清空list中的有效元素 |
#include <list>
void PrintList(list<int>& l) {
for (auto& e : l)
cout << e << " ";
cout << endl;
}
//=====================================================================================
====
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList1()
{
int array[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 在list的尾部插入4，头部插入0
L.push_back(4);
L.push_front(0);
PrintList(L);
// 删除list尾部节点和头部节点
L.pop_back();
L.pop_front();
PrintList(L);
}
//=====================================================================================
====
// insert /erase
void TestList3()
{
int array1[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
// 获取链表中第二个节点
auto pos = ++L.begin();
cout << *pos << endl;
// 在pos前插入值为4的元素
L.insert(pos, 4);
PrintList(L);
// 在pos前插入5个值为5的元素
L.insert(pos, 5, 5);
PrintList(L);
// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
vector<int> v{ 7, 8, 9 };
L.insert(pos, v.begin(), v.end());
PrintList(L);
// 删除pos位置上的元素
L.erase(pos);
PrintList(L);
// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
L.erase(L.begin(), L.end());
PrintList(L);
}
// resize/swap/clear
void TestList4()
{
// 用数组来构造list
int array1[] = { 1, 2, 3 };
list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
PrintList(l1);
// 交换l1和l2中的元素
l1.swap(l2);
PrintList(l1);
PrintList(l2);
// 将l2中的元素清空
l2.clear();
cout << l2.size() << endl;
}list 中还有一些操作，需要用到时大家可参阅 list 的文档说明。
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 TestListIterator()
{
int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
list<int>(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的深度剖析及模拟实现
2.1 模拟实现list
要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。
namespace bite
{
//list的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
:_pPre(nullptr)
, _pNext(nullptr)
, _val(val);
{}
ListNode<T>* _pPre;
ListNode<T>* _pNext;
T _val;
};
/*list的迭代器
迭代器有两种实现方式，具体应该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一下
方法：
1.指针可以解引用，迭代器的类必须重载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operator->()
3.指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()和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!=() */
template<class T,class Ref,class Ptr>
class ListIterator
{
typedef ListNode<T>* PNode;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr>Self;
public:
ListIterator(PNode pNode = nullptr)
:_pNode(pNode)
{}
ListIterator(const Self& l)
:_pNode(l._pNode)
{}
T& operator*() {return _pNode->val;}
T* operator->(){return &(operator*())}
Self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_pNext;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
_pNode = _pNode->_pNext;
return temp;
}
Self& operator--();
Self& operator--(int);
bool operator!=(const Self& l) { return _pNode != l._pNode;}
bool operator==(const Self& l) { return _pNode != l._pNode;}
PNode_pNode;
};
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T>Node;
typedef Node* PNode;
public:
typedef ListIterator<T, T&, T*>iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T&>const_iterator;
public:
//List的构造
list()
{
CreateHead();
}
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;
}
}
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
list<T>temp(l.cbegin(), l.cend());
this->swap(temp);
}
list<T>& operator=(const list<T>l)
{
this->swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete_pHead;
_pHead = nullptr;
}
//List Itertor
iterator begin() { return iterator(_pHead->_pNext); }
itertor end() { return iterator(_pHead); }
const_iterator begin() { return const_itertor(_pHead->_pNext); }
const_iterator end() { return const_iterator(_pHead); }
//List Capcity
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) { insert(begin(), 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)
{
PNode pNewNode = new Node(val);
pNode pCur = pos._pNode;
//先将新节点插入
pNewNode->_pPre = pCur->_pPre;
pNewNode->_pNext = pCur;
pNewNode->_pPre->_pNext = pNewNode;
pCur->_pPre = 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)
{
//找到待删除的节点
PNode pDel = pos._pNode;
PNode pRet = pDel->_pNext;
//将该节点从链表拆下来并删除
pDel->_pPre->_pNext = pDel->_pNext;
pDel->_pNext->_pPre = pDel->_pPre;
delete pDel;
return iterator(pRet);
}
void clear();
void swap(List<T>& l);
private:
void CreateHead()
{
_pHead = new Node;
_pHead->_pPre = _pHead;
_pHead->_pNext = _pHead;
}
private:
PNode _pHead;
};
}2.2 对模拟的bite::list进行测试
// 正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const bite::list<T>& l) {
auto it = l.cbegin();
while (it != l.cend())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
// 测试List的构造
void TestList1()
{
bite::list<int> l1;
bite::list<int> l2(10, 5);
PrintList(l2);
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
bite::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
PrintList(l3);
bite::list<int> l4(l3);
PrintList(l4);
l1 = l4;
PrintList(l1);
PrintListReverse(l1);
}
// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestList2()
{
// 测试PushBack与PopBack
bite::list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
PrintList(l);
l.pop_back();
l.pop_back();
PrintList(l);
l.pop_back();
cout << l.size() << endl;
// 测试PushFront与PopFront
l.push_front(1);
l.push_front(2);
l.push_front(3);
PrintList(l);
l.pop_front();
l.pop_front();
PrintList(l);
l.pop_front();
cout << l.size() << endl;
}
void TestList3()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
bite::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
auto pos = l.begin();
l.insert(l.begin(), 0);
PrintList(l);
++pos;
l.insert(pos, 2);
PrintList(l);
l.erase(l.begin());
l.erase(pos);
PrintList(l);
// pos指向的节点已经被删除，pos迭代器失效
cout << *pos << endl;
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
it = l.erase(it);
}
cout << l.size() << endl;
}3. 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 |
