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本节目标
1. list的介绍及使用
1.2 list的使用
2.list的模拟实现
1.对list进行初步的实现
2.头插和任意位置的插入
3.pos节点的删除，头删，尾删
4.销毁list和析构函数
5.const迭代器
6.拷贝构造和赋值操作
3.完整代码
本节目标
1. list的介绍及使用
2. list的深度剖析及模拟实现
3. list与vector的对比
1. list的介绍及使用
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，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口。
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
代码演示：
void TestList1() { list<int> l1; // 构造空的l1 list<int> l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素 list<int> l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3 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 }; list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int)); // 列表格式初始化C++11 list<int> l6{ 1, 2, 3, 4, 5 }; // 用迭代器方式打印l5中的元素 list<int>::iterator it = l5.begin(); while (it != l5.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; // C++11范围for的方式遍历 for (auto& e : l5) cout << e << " "; cout << endl; }
2.list iterator的使用
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【注意】
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. rbegin(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
代码演示：// list迭代器的使用 // 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for void PrintList(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; }void TestList2() { int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 }; list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0])); // 使用正向迭代器正向list中的元素 // list<int>::iterator it = l.begin(); // C++98中语法 auto it = l.begin(); // C++11之后推荐写法 while (it != l.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; // 使用反向迭代器逆向打印list中的元素 // list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin(); auto rit = l.rbegin(); while (rit != l.rend()) { cout << *rit << " "; ++rit; } cout << endl; }
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
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 代码演示：
void TestList3() { 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); }
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 代码演示：
// insert /erase void TestList4() { 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 TestList5() { // 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 list<int> l2; l1.swap(l2); PrintList(l1); PrintList(l2); // 将l2中的元素清空 l2.clear(); cout << l2.size() << endl; }
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 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; } }
下面是修正的代码：
// 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的模拟实现
1.对list进行初步的实现
namespace my_list { //list节点的结构 template<class T> struct ListNode { ListNode<T>* _next; ListNode<T>* _prev; T _data; //构造走列表 ListNode(const T& x = T()) :_next(nullptr) , _prev(nullptr) , _data(x) {} }; template<class T> struct __list_iterator { typedef ListNode<T> Node; typedef __list_iterator<T> self; Node* _node; //构造迭代器 __list_iterator(Node* x) :_node(x) {} // ++it self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } self operator++(int) { self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } T& operator*() { return _node->_data; } T& operator*() { return _node->_data; } bool operator!=(const self& s) { return _node != s._node; } }; //对list成员函数进行模拟实现 template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; public: typedef __list_iterator<T> iterator; list() { _head = new Node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } iterator begin() { //return iterator(_head->_next); return _head->_next; } iterator end() { return _head; } void push_back(const T& x) { Node* newnode = new Node(x); Node* tail = _head->_prev; tail->_next = newnode; newnode->_prev = tail; newnode->_next = _head; _head->_prev = newnode; } private: Node* _head; }; }这段代码是对C++中的双向链表list的简单模拟实现。以下是对其实现逻辑的解释：
1. 在namespace my_list中定义了ListNode结构体，用于表示链表节点，包含指向前一个节点和后一个节点的指针，以及存储数据的成员变量_data。
2. 定义了__list_iterator结构体，用于封装list的迭代器。该结构体包含一个指向ListNode的指针_node，并重载了operator++/--（前置++（返回之后的值）和后置++（返回之前的值），后置++调用了拷贝构造）、operator*和operator!=等操作。
(Node*没办法重载，只有自定义类型才支持重载，我们只能进行封装）
3. 定义了list类，包含内部类iterator作为迭代器类型。list类中有构造函数初始化头节点_head，begin()返回第一个节点的迭代器，end()返回尾节点的迭代器，push_back()在链表尾部插入新节点。
总体逻辑是通过定义节点结构体、迭代器结构体和链表类，实现了简单的双向链表功能，并提供了对链表进行遍历和插入操作的接口。
test_list1函数演示了如何使用该简单链表实现，创建链表对象lt，插入几个元素，然后通过迭代器遍历输出链表中的元素。
void test_list1() { list<int> lt; lt.push_back(1); lt.push_back(2); lt.push_back(3); lt.push_back(4); list<int>::iterator it = lt.begin(); while (it != lt.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; }
2.头插和任意位置的插入
iterator insert(iterator pos, const T& x) { Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev; Node* newnode = new Node(x); // prev newnode cur prev->_next = newnode; newnode->_prev = prev; newnode->_next = cur; cur->_prev = newnode; //return iterator(newnode); return newnode; } void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }1. insert函数：
- 获取当前迭代器pos指向的节点cur以及其前一个节点prev。
- 创建一个新的节点newnode，存储值为x。
- 将prev节点的_next指针指向newnode，建立prev和newnode之间的连接。
- 将newnode的_prev指针指向prev，将newnode的_next指针指向cur，建立newnode和cur之间的连接。
- 返回一个新的迭代器，指向插入的newnode节点。2. push_front函数：
- 调用insert函数，在链表头部（即begin()位置）插入值为x的新节点。
- 通过调用insert(begin(), x)实现在链表头部插入新节点的功能。
3.pos节点的删除，头删，尾删
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 pop_back() { erase(--end()); } void pop_front() { erase(begin()); }在这段代码中， iterator erase(iterator pos) 函数的目的是从容器中删除给定位置的元素。在双向链表中，当删除一个节点后，需要重新连接前一个节点和后一个节点，然后删除当前节点。在这段代码中， return next; 返回的是下一个节点的迭代器，因为在删除当前节点后，下一个节点就变成了当前位置。这样做是为了防止迭代器失效，方便在调用 erase 函数后继续遍历容器中的元素。
测试：
void test_list1() { list<int> lt; lt.push_back(1); lt.push_back(2); lt.push_back(3); lt.push_back(4); lt.pop_back(); lt.pop_front(); list<int>::iterator it = lt.begin(); while (it != lt.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; }
4.销毁list和析构函数
void clear() { iterator it = begin(); while (it != end()) { it = erase(it); } } ~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; }在这段代码中， clear() 函数用于清空整个双向链表，它通过循环调用 erase() 函数来一个一个删除链表中的元素，直到链表为空。而在析构函数 ~list() 中，首先调用了 clear() 函数来确保在销毁链表之前先清空所有元素，然后删除链表的头节点 _head 并将其置为 nullptr ，以释放链表占用的内存空间。这样的设计确保了在销毁链表对象时，会正确地释放链表中所有节点的内存，并避免内存泄漏问题。
5.const迭代器
const迭代器和普通迭代器最大的区别就是将T& operator*前面加上const，让指针指向的内容不能被修改。但需要注意：const迭代器不是一个const的对象，const对象自己可以修改，只是让指向的类容不能修改
template<class T, class Ref> struct __list_iterator { typedef ListNode<T> Node; typedef __list_iterator<T, Ref> self; Node* _node; __list_iterator(Node* x) :_node(x) {} // ++it self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } // it++ self operator++(int) { //__list_iterator<T> tmp(*this); self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } self operator--(int) { self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; } Ref operator*() { return _node->_data; } bool operator!=(const self& s) { return _node != s._node; } bool operator==(const self& s) { return _node == s._node; } };这里的操作是通过参数的不同重载了这个类，所以才在这里多加一个参数
6.拷贝构造和赋值操作
//拷贝构造 lt1(lt) list(const list<T>& lt) { _head = new node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; 将lt的元素全部尾插到新链表 for (const auto& e : lt) { push_back(e); } }拷贝构造函数，用于复制另一个链表 lt 的所有元素到新链表中。首先创建一个新的头节点 _head，并将其前驱和后继都指向自身，然后通过循环遍历 lt 中的每个元素，将其依次尾插到新链表中。这样就实现了将另一个链表的所有元素复制到新链表的功能。
赋值操作的传统写法
list<T> operator=(const list<T>& lt) { //链表已存在，只需将节点尾插进去即可 if(this != lt) { for (auto& e : lt) { push_back(e); } } }链表存在，直接尾插就行了。
现代写法
list<T>& operator=(list<T>& lt) { swap(_head, lt->_head); return *this; } template <class T> void swap ( T& a, T& b ) { T c(a); a=b; b=c; }赋值运算符函数，用于将另一个链表 lt 的内容与当前链表进行交换。在函数内部，调用了一个名为 swap 的模板函数，用于交换两个对象的值。在这里，通过将当前链表的头节点和另一个链表的头节点进行交换，实现了两个链表内容的交换。
3.完整代码
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace delia
{
template<class T>
struct _list_node
{
T _val;
_list_node<T>* _prev;
_list_node<T>* _next;
_list_node(const T& val = T())
:_val(val)
, _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
{};
};
template<class T, class Ref>
struct _list_iterator//使用_list_iterator类来封装node*
{
typedef _list_node<T> node;
typedef _list_iterator<T, Ref> self;
node* _pnode;
//构造函数
_list_iterator(node* pnode)
:_pnode(pnode)
{}
//拷贝构造、赋值运算符重载、析构函数，编译器默认生成即可
//解引用，返回左值，是拷贝，因此要用引用返回
Ref operator*()
{
return _pnode->_val;
}
//!=重载
bool operator!=(const self& s) const
{
return _pnode != s._pnode;
}
//==重载
bool operator==(const self& s) const
{
return _pnode == s._pnode;
}
//前置++ it.operator(&it)
self& operator++()
{
_pnode = _pnode->_next;
return *this;
}
//后置++ 返回++之前的值 it.operator(&it,0)
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_next;
return tmp;
}
//前置-- it.operator(&it)
self& operator--()
{
_pnode = _pnode->prev;
return *this;
}
//后置++ 返回++之前的值 it.operator(&it,0)
self operator--(int)//临时对象不能用引用返回，所以self没有加&
{
self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_prev;
return tmp;
}
};
template<class T>
class list
{
typedef _list_node<T> node;
public:
typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;//重命名迭代器
typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//重命名const迭代器
//构造函数
list()
{
_head = new node;//会调_list_node的构造函数
_head->_next = _head;//整个链表只有头节点，先构造一个没有实际节点的链表
_head->_prev = _head;//整个链表只有头节点，先构造一个没有实际节点的链表
}
//拷贝构造 lt1(lt)
list(const list<T>& lt)
{
_head = new node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
//将lt的元素全部尾插到新链表
for (const auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
//赋值重载
list<T>&operator=(list<T><)
{
swap(_head, lt._head);
return *this;
}
template <class T> void swap(T& a, T& b)
{
T c(a);
a = b;
b = c;
}
//析构
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);//尾节点的下一个节点位置即头节点
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);//尾节点的下一个节点位置即头节点
}
//插入节点
void insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos._pnode);
node* newnode = new node(x);//构造节点
node* prev = pos._pnode->_prev;
//插入节点
newnode->_next = pos._pnode;
pos._pnode->_prev = newnode;
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
}
//删除节点
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos._pnode);//判断该位置节点是否存在
assert(pos != end());//end()是最后一个节点的下一个节点位置，也就是头节点，头节点不能删，需要断言
node* prev = pos._pnode->_prev;//pos位置节点的前一个节点
node* next = pos._pnode->_next;//pos位置节点的后一个节点
//删除节点
delete pos._pnode;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
return iterator(next);//删除之后pos失效，把下一个位置的迭代器给它
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
erase(it++);
}
}
//头插
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
//尾插
void push_back(const T& x)
{
insert(end()--, x);
}
//头删
void pop_front()
{
erase(begin());
}
//尾删
void pop_back()
{
erase(--end());
}
//判空
bool empty()
{
return _head->_next == _head;
}
//求节点个数
size_t size()
{
iterator it = begin();
size_t sz = 0;
while (it != end())//时间复杂度O(N)
{
it++;
sz++;
}
return sz;
}
private:
node* _head;
};
void PrintList(const list<int>& lt)
{
list<int>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << it._pnode->_val << " ";
it++;
}
cout << endl;
}
}
