C++STL容器——list和模拟实现
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1 list的介绍和使用
1.1 list的介绍
1.2 list的使用
1.2.1 list的构造
| 构造函数（constructor） | 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 |
1.2.2 list iterator 的使用
我们可以将iterator理解为一个指针里面存着一个结点，但是他和普通指针不同之处在于，它除了存着结点还存着方法
| 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 | 返回反向迭代器 rbegin（对应正向 end 位置）；rend 反向迭代器（对应正向 begin 位置），用于逆序遍历容器 |
注意:
1 begin和end都是正向迭代器,对迭代器进行++操作，迭代器向后操作
2 rbegin和rend都是反向迭代器，对迭代器进行++操作，迭代器向后操作
1.2.3 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 |
1.2.4 list element access
| 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 |
1.2.5 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 |
list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明，这里就不做过多的说明只挑重要的探讨。
2 再探iterator迭代器
2.1 迭代器分类
2.1.1 随机迭代器
iterator支持 ++/--/+/-
例如:vector/string/......
2.1.2 双向迭代器
iterator支持 ++/--
例如:list/map/set/......
2.1.3 单向迭代器
iterator支持 +/-
例如:forward_list/undordered_map/......
2.2 迭代器和指针的异同
2.2.1指针
- 直接存储内存地址，
*p就是解引用访问内存； - 只适用于连续内存：数组、堆上连续分配内存；
- 自增
p++等价于地址偏移+sizeof(T)。
2.2.2迭代器
不同容器迭代器实现完全不同：
vector/deque：本质就是封装后的指针（随机访问迭代器）；list/map/set：完全不是指针，是指向链表节点、红黑树节点的对象，内部存节点指针；string：同样封装指针；- 甚至可以有无内存地址的迭代器（如
istream_iterator）。
迭代器有着指针没有的优势是，可以通过类的方法实现更多操作
2.3 list 迭代器失效
list的迭代器失效和vector类似，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
例:
错误写法:
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;
}
}
正确写法:
// 改正
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())
{
l.erase(it++);
it = l.erase(it);
}
}
3 list的模拟实现
3.1 list 的实现
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
namespace yjs
{
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& value =T())
:_data(value)
,_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
{
}
T _data;
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
};
//List的迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T>* PNode;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
ListIterator(PNode pNode = nullptr)
{
_pNode = pNode;
}
ListIterator(const Self& l)
{
_pNode = l._pNode;
}
T& operator*()
{
return _pNode->_data;
}
T* operator->()
{
return &(_pNode->_data);
}
Self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_next;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
_pNode = _pNode->_next;
return *this;
}
Self& operator--()
{
_pNode = _pNode->_prev;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
_pNode = _pNode->_prev;
return *this;
}
bool operator!=(const Self& l)
{
return _pNode != l._pNode;
}
bool operator==(const Self& l)
{
return _pNode == l._pNode;
}
PNode _pNode;
};
//list类
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()
{
_pHead = new Node[1];
_pHead->_next = _pHead;
_pHead->_prev = _pHead;
}
list(int n, const T& value = T())
{
for (int i = 0; i < n; i++)
{
Node* newnode = new Node(value);
Node* tail = _pHead->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _pHead;
_pHead->_prev = newnode;
}
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
_pHead = new Node(T());
Iterator cur = first;
while (cur!=last)
{
Node* newnode = new Node(*cur);
Node* tail = _pHead->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _pHead;
_pHead->_prev = newnode;
cur++;
}
Node* newnode = new Node(*last);
Node* tail = _pHead->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _pHead;
_pHead->_prev = newnode;
}
list(const list<T>& l)
{
_pHead = new Node(T());
Node* cur = l._pHead->next;
while (cur != l.pHead)
{
Node* newnode = new Node(cur->_data);
Node* tail = _pHead->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _pHead;
_pHead->_prev = newnode;
cur = cur->_next;
}
}
list<T>& operator=(const list<T> l)
{
Node* cur = _pHead->_next;
while (cur != _pHead)
{
Node* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
delete _pHead;
_pHead = new Node(T());
cur = l._pHead->next;
while (cur != l.pHead)
{
Node* newnode = new Node(cur->_data);
Node* tail = _pHead->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _pHead;
_pHead->_prev = newnode;
cur = cur->_next;
}
}
~list()
{
Node* cur = _pHead->_next;
while (cur!=_pHead)
{
Node* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
delete cur;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////
// List Iterator
iterator begin()
{
return { _pHead->_next};
}
iterator end()
{
return { _pHead };
}
const_iterator cbegin()
{
return { _pHead->_next };
}
const_iterator cend()
{
return { _pHead };
}
///////////////////////////////////////////////////////////////
// List Capacity
size_t size()const
{
int i = 0;
Node* cur = _pHead->_next;
while (cur != _pHead)
{
i++;
cur = cur->next;
}
}
bool empty()const
{
return _pHead == _pHead->_next;
}
////////////////////////////////////////////////////////////
// List Access
T& front()
{
return _pHead->_next->_date;
}
const T& front()const
{
return _pHead->_next->_date;
}
T& back()
{
return _pHead->_prev->_date;
}
const T& back()const
{
return _pHead->_prev->_date;
}
////////////////////////////////////////////////////////////
// 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* prev = pos._pNode->_prev;
prev->_next = newnode;
newnode->_next = pos._pNode;
newnode->_prev = prev;
pos._pNode->_prev = newnode;
return { newnode };
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
Node* prev = pos._pNode->_prev;
Node* next = pos._pNode->_next;
prev->_next = next;
next->_prev= prev;
delete pos._pNode;
return { next };
}
void clear()
{
Node* cur = _pHead->_next;
while (cur != _pHead)
{
Node* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
_pHead->_next = _pHead;
_pHead->_prev = _pHead;
}
void swap(list<T>& l)
{
PNode temp = l._pHead;
l._pHead = _pHead;
_pHead = temp;
}
private:
PNode _pHead;
};
}拓展: 3.2 list 反向迭代器的实现
#pragma once
namespace yjs
{
template<class Iterator, class Ref, class Ptr >
struct ReverseIterator
{
typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
ReverseIterator(Iterator it)
:_it(it)
{
}
Ref operator*()
{
Iterator temp = _it;
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
bool operator!=(Self it)
{
return _it != it._it;
}
bool operator==(Self it)
{
return _it == it._it;
}
Iterator _it;
};
}
反向迭代器的原理就是让原来正向迭代器的--变为反向迭代器的++，实现用了适配器的思想，这个思想会在后面学习stack和queue的时候详细介绍现在只单纯了解
4 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：
| 对比维度 | vector | list |
|---|---|---|
| 底层结构 | 动态顺序表，占用一段连续内存空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随机访问 | 支持随机访问，下标访问元素时间复杂度 O (1) | 不支持随机访问，遍历查找元素 O (N) |
| 插入和删除 | 任意位置增删效率低，需要挪动大量元素，复杂度 O (N)。扩容还需开辟新空间、拷贝释放旧空间，开销更大 | 任意位置增删效率高，仅修改指针指向，无需移动元素，复杂度 O (1) |
| 空间利用率 | 连续内存，不易产生内存碎片，空间利用率高，CPU 缓存命中率高 | 节点零散动态分配，易造成内存碎片，空间利用率低，缓存命中率差 |
| 迭代器本质 | 原生指针 | 对链表节点指针进行封装的迭代器，加入了方法 |
| 迭代器失效规则 | 插入可能触发扩容，导致全部迭代器失效。删除仅当前迭代器失效 | 插入操作迭代器均不失效。删除仅被删除元素对应的迭代器失效，其余不受影响 |
| 适用场景 | 需要随机访问、看重缓存效率、较少中间插入删除，追求高效连续存储 | 频繁在任意位置插入 / 删除元素，不需要随机访问功能 |
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