【C++学习】STL容器——list

目录

一、list的介绍及使用

1.1 list的介绍

 1.2 list的使用

1.2.1 list的构造

 1.2.2  list iterator的使用

1.2.3 list capacity

1.2.4 list element access

1.2.5 list modifiers

1.2.6 list 迭代器失效

二、list的模拟实现

2.1 模拟实现list

三、list和vector的对比

一、list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list的文档介绍

  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，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 。
1.2.1 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

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
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  

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
1.2.6 list 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;    
    } 
}

// 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);
    } 
}

二、list的模拟实现

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，代码如下：

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>

namespace casso
{
	// List的节点类
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode(const T& val = T())
			: _prev(nullptr)
			, _next(nullptr)
			, _val(val)
		{}

		ListNode<T>* _prev;
		ListNode<T>* _next;
		T _val;
	};

	/*
	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!=()
	*/
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	class ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

		// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到
	public:
		typedef Ref Ref;
		typedef Ptr Ptr;
	public:
		//
		// 构造
		ListIterator(Node* node = nullptr)
			: _node(node)
		{}

		//
		// 具有指针类似行为
		Ref operator*() 
		{ 
			return _node->_val;
		}

		Ptr operator->() 
		{ 
			return &(operator*()); 
		}

		//
		// 迭代器支持移动
		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;
		}

		//
		// 迭代器支持比较
		bool operator!=(const Self& l)const
		{ 
			return _node != l._node;
		}

		bool operator==(const Self& l)const
		{ 
			return _node != l._node;
		}

		Node* _node;
	};

	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
	public:
		typedef typename Iterator::Ref Ref;
		typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
		typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
	public:
		//
		// 构造
		ReverseListIterator(Iterator it)
			: _it(it)
		{}

		//
		// 具有指针类似行为
		Ref operator*()
		{
			Iterator temp(_it);
			--temp;
			return *temp;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}

		//
		// 迭代器支持移动
		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;
		}

		//
		// 迭代器支持比较
		bool operator!=(const Self& l)const
		{
			return _it != l._it;
		}

		bool operator==(const Self& l)const
		{
			return _it != l._it;
		}

		Iterator _it;
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;

	public:
		// 正向迭代器
		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();
		}

		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.begin(), l.end());
			this->swap(temp);
		}

		list<T>& operator=(list<T> l)
		{
			this->swap(l);
			return *this;
		}

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		///
		// List的迭代器
		iterator begin() 
		{ 
			return iterator(_head->_next); 
		}

		iterator end() 
		{ 
			return iterator(_head); 
		}

		const_iterator begin()const 
		{ 
			return const_iterator(_head->_next); 
		}

		const_iterator end()const
		{ 
			return const_iterator(_head); 
		}

		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());
		}

		///
		// List的容量相关
		size_t size() const
		{
			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* pCur = pos._node;
			// 先将新节点插入
			pNewNode->_prev = pCur->_prev;
			pNewNode->_next = pCur;
			pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
			pCur->_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)
		{
			// 找到待删除的节点
			Node* pDel = pos._node;
			Node* pRet = pDel->_next;

			// 将该节点从链表中拆下来并删除
			pDel->_prev->_next = pDel->_next;
			pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
			delete pDel;

			return iterator(pRet);
		}

		void clear()
		{
			Node* cur = _head->_next;
			
			// 采用头删除删除
			while (cur != _head)
			{
				_head->_next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = _head->_next;
			}

			_head->_next = _head->_prev = _head;
		}

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

	private:
		void CreateHead()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}
	private:
		Node* _head;
	};
}


///
// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const casso::list<T>& l)
{
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}

	cout << endl;
}

// 测试List的构造
void TestCassoList1()
{
	casso::list<int> l1;
	casso::list<int> l2(10, 5);
	PrintList(l2);

	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	casso::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	PrintList(l3);

	casso::list<int> l4(l3);
	PrintList(l4);

	l1 = l4;
	PrintList(l1);
}

// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestCassoList2()
{
	// 测试PushBack与PopBack
	casso::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;
}

// 测试insert和erase
void TestCassoList3()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	casso::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;
}

// 测试反向迭代器
void TestCassoList4()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	casso::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

	auto rit = l.rbegin();
	while (rit != l.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	const casso::list<int> cl(l);
	auto crit = l.rbegin();
	while (crit != l.rend())
	{
		cout << *crit << " ";
		++crit;
	}
	cout << endl;
}

2.2 list的反向迭代器
        通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。

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 
public:
    typedef typename Iterator::Ref Ref;
    typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
    typedef ReverseListIterator<Iterator> Self; 
public:
    //
    // 构造
    ReverseListIterator(Iterator it) : _it(it){}          
    //
    // 具有指针类似行为
    Ref operator*()
    {
        Iterator temp(_it);
        --temp;
        return *temp;
    }    
    Ptr operator->()
    {
        return &(operator*());
    }
    //
    // 迭代器支持移动
    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;
    }
    //
    // 迭代器支持比较
    bool operator!=(const Self& l) const
    {
        return _it != l._it;
    }
    bool operator==(const Self& l) const
    {
        return _it != l._it;
    }
    Iterator _it;
};

三、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：

vectorlist
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

最后：

list的构造使用、迭代器的使用、插入和删除代码演示：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
#include <vector>



// list的构造
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;
}


// 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;
}


// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
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);
}

// 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;
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