list及其模拟实现

list其实就是一个带头双向链表

1 迭代器

按功能分

iterator

reverse_iterator

const_iterator

const_reverse_iterator

按性质分	支持结构	支持操作
单向	forward_list/unordered_map	++
双向	list/map/set	++/--
随机	vector/string/deque	++ / -- / + / -

按性质分，决定可以使用那些算法。支持单向的算法，也支持双向和随机，反之不然。

2 list的使用

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 frist,InputIterator last)	用[frist,last)区间中的元素构造list

void test_list1()
{list<int> l1;list<int> l2(4, 10);list<int> l3(l2);list<int> l4(++l2.begin(), --l2.end());for (auto e : l1){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : l2){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : l3){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : l4){cout << e << " ";}cout << endl;
}int main()
{test_list1();
}

2.2 list的迭代器

函数声明	接口说明
begin	返回第一个元素的迭代器（头节点的下一个）
end	返回最后一个元素下一个的位置（头结点）
rbegin	返回第一个元素的reverse_iterator，及end的位置
rend	返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator，及begin的位置

void PrintList(const list<int>& l)
{list<int>::const_iterator it = l.begin();while (it != l.end()){cout << *it << " ";it++;//迭代器支持++}cout << endl;
}void test_list2()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));PrintList(lt);auto it = lt.rbegin();while (it != lt.rend()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;
}

2.3 list的增删查改

函数说明	接口说明
empty	检测list是否为空，是返回ture，否则返回false
size	返回list中有效节点的个数
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
push_front	在list首元素前插入值为val的元素
pop_front	删除list中的第一个元素
emplace_front	和push_front类似
push_back	在尾部插入值为val的元素
pop_back	删除list中最后一个元素
emplace_back	和push_back类似（有些情况比push_back高效）
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（可以返回迭代器）
swap	交换两个list中的元素
resize	调整list的大小，包含n个元素
clear	清空list中的有效元素

void test_list3()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);PrintList(lt);lt.push_front(5);PrintList(lt);lt.pop_back();lt.pop_front();PrintList(lt);list<int> lt2;lt2.push_back(1);lt2.push_back(2);lt2.push_back(3);lt2.push_back(4);lt2.push_back(5);lt2.insert(lt2.begin(), 10);PrintList(lt2);lt2.erase(--lt2.end());PrintList(lt2);}

struct A
{A(int a1 = 1,int a2 = 1):_a1(a1),_a2(a2){cout << "A(int a1 = 1,int a2 = 1)" << endl;}A(const A& aa){_a1 = aa._a1;_a2 = aa._a2;cout << "A(const A& aa)" << endl;}int _a1;int _a2;
};void test_list4()
{list<A> lt;A aa(1, 1);lt.push_back(aa);lt.push_back(A(2, 2));//创建一个临时对象//lt.push_back(3, 3);lt.emplace_back(aa);lt.emplace_back(A(2, 2));lt.emplace_back(3, 3);//使用 3 和 3 作为参数调用 A 的构造函数,避免了拷贝构造
}

2.4 list Operations

函数说明	接口说明
splice	能够把一个`std::list`中的元素（可以是单个元素、一段连续元素或者全部元素）移动到另一个`std::list`的指定位置。
remove	删除给定值的元素
unique	删除重复值(前提是有序)
merge	合并有序列表
sort	对容器中的元素进行排序
reverse	反转元素的顺序

void test_list5()
{std::list<int> mylist1, mylist2;std::list<int>::iterator it;for (int i = 1; i <= 4; ++i)mylist1.push_back(i);      // mylist1: 1 2 3 4for (int i = 1; i <= 3; ++i)mylist2.push_back(i * 10);   // mylist2: 10 20 30it = mylist1.begin();++it;                         // points to 2mylist1.splice(it, mylist2); // mylist1: 1 10 20 30 2 3 4// mylist2 (empty)  mylist2为空// "it" still points to 2 (the 5th element)PrintList(mylist1);list<int> lt;for (int i = 1; i <= 6; ++i)lt.push_back(i);//把x之后的值翻转int x;cin >> x;it = find(lt.begin(), lt.end(), x);if (it != lt.end()){auto next_it = next(it);//当x是第一个元素时，移动范围从第二个元素开始，防止整个链表被移动，确保哨兵节点指针正确。lt.splice(lt.begin(), lt, next_it, lt.end());}PrintList(lt);//删除xlt.remove(x);PrintList(lt);}

void test_list6()
{list<int> first, second;first.push_back(2);first.push_back(4);first.push_back(6);second.push_back(1);second.push_back(3);second.push_back(5);first.sort();second.sort();first.merge(second);PrintList(first);list<int> lt;lt.push_back(5);lt.push_back(10);lt.push_back(5);lt.push_back(4);lt.push_back(3);lt.push_back(5);lt.push_back(12);lt.sort();lt.unique();PrintList(lt);
}

3 list的模拟实现

3.1 list的节点

template<class T>struct list_node{T _data;list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;list_node(const T& data = T())//构造函数:_data(data),_next(nullptr),_prev(nullptr){}};

3.2 list的迭代器

iterator：

template<class T>struct list_iterator{typedef list_node<T> Node;Node* _node;list_iterator(Node* node):_node(node){}T& operator*(){return _node->_data;}T* operator->(){return &_node->_data;}list_iterator operator++(){_node = _node->_next;return *this;}list_iterator operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}list_iterator operator++(int)//后置++：必须添加一个 无实际用途的 int 类型占位参数{list_iterator tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}list_iterator operator--(int)//后置--{list_iterator tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const list_iterator& lt) const{return _node != lt._node;}bool operator==(const list_iterator& lt) const{return _node == lt._node;}};

const_iterator：

template<class T>struct list_const_iterator{typedef list_node<T> Node;Node* _node;list_iterator(Node* node):_node(node){}const T& operator*(){return _node->_data;}const T* operator->(){return &_node->_data;}list_iterator operator++(){_node = _node->_next;return *this;}list_iterator operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}list_iterator operator++(int)//后置++：必须添加一个 无实际用途的 int 类型占位参数{list_iterator tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}list_iterator operator--(int)//后置--{list_iterator tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const list_iterator& lt) const{return _node != lt._node;}bool operator==(const list_iterator& lt) const{return _node == lt._node;}};

这两个迭代器只有重载operator*和operator->时有差异所以可以写成一下写法

template<class T, class Ref, class Ptr>struct list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;list_iterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}Self operator++()//前置++{_node = _node->_next;return *this;}Self operator--()//前置--{_node = _node->_prev;return *this;}Self operator++(int)//后置++：必须添加一个 无实际用途的 int 类型占位参数{list_iterator tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int)//后置--{list_iterator tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const list_iterator& lt) const{return _node != lt._node;}bool operator==(const list_iterator& lt) const{return _node == lt._node;}};

const iterator 是迭代器本身不能改变

const_iterator 是指向的内容不能改变

    struct AA{int _a1 = 1;int _a2 = 1;};template<class Container>void PrintContainer(const Container& con){typename Container::const_iterator it = con.begin();//auto it = con.begin();for (auto& e : con){cout << e << " ";}cout << endl;}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;list<AA> la;la.push_back(AA());la.push_back(AA());la.push_back(AA());la.push_back(AA());list<AA>::iterator ait = la.begin();while (ait != la.end()){cout << ait->_a1 << ":" << ait->_a2 << endl;//特殊处理，本来是两个->才合理，为了可读性省略了一个//cout << ait.operator->()->_a1 << ait.operator->()->_a2 << endl;++ait;}cout << endl;}

3.2 list

template<class T>class list{typedef list_node<T> Node;public:typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;iterator begin(){/*iterator it(_head->_next);return it;*///return iterator(_head->_next);//return _head->_next;//单参数构造函数支持隐式类型转换}iterator end(){return _head;}const_iterator begin() const{return _head->_next;}const_iterator end() const{return _head;}list(){empty_init();}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}list(initializer_list<T> lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}//l1(l2)list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}list<T>& operator=(list<T>& lt){swap(lt);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;_size = 0;}void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}iterator insert(iterator pos, const T& x)//在pos位置之前插入{Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;_size++;return newnode;}void push_back(const T& x){insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());Node* next = pos._node->_next;Node* prev = pos._node->_prev;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;_size--;return next;}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}size_t size() const{return _size;}bool empty() const{return _size == 0;}private:Node* _head;size_t _size;};

void test_list2(){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();lt.insert(it, 10);*it += 100;PrintContainer(lt);it = lt.begin();while (it != lt.end()){if (*it % 2 == 0){it = lt.erase(it);}else{it++;}}PrintContainer(lt);}void test_list3(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);list<int> lt2(lt);PrintContainer(lt);PrintContainer(lt2);list<int> lt3;lt.push_back(10);lt.push_back(20);lt.push_back(30);lt.push_back(40);lt = lt3;PrintContainer(lt);PrintContainer(lt3);}void func(const list<int>& lt){PrintContainer(lt);}void test_list4(){//直接构造list<int> lt0({ 1,2,3,4,5,6 });//隐式类型转换list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };const list<int>& lt3 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };func(lt0);func({ 1,2,3,4,5,6 });PrintContainer(lt3);}

4 list和vector的比较

	vector	list
底层结构	动态顺序表，一段连续的空间	带头节点的双向链表
随机访问	支持随机访问，访问某个元素的效率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	对愿生态节点进行封装
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，导致原来的迭代器失效，删除时，当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	大量插入删除操作，不关心随机访问