• 由浅到深-模拟实现list

    前言

    作者：小蜗牛向前冲

    名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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    目录

    一 、见见STL中的list

    1、list的介绍

     2、list的常见接口

    二、list的模拟实现

    1、list框架搭建

    2、模拟实现list迭代器

    3、list整体实现 

    三、list和vector的对比

    1、对比二者的优缺点

    2、list和vector的排序效率 

     本期学习目标：认识STL中的list，模拟实现list,对list的迭代器深入理解，对比list和vector。

    一 、见见STL中的list

    1、list的介绍

    下面我们了看看cpulcpul官网中的介绍：

     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)。

    从上面的介绍中我们初步认识到了list的是带头双向链表，对于要掌握的数据结构之一，下面我们一起来回忆一下他的增删查改操作。 

     2、list的常见接口

    list的有很多接口，下面我们主要介绍几个重点接口：

    list的构造

    因为list在C++中是用类来封装的，他也就有自己的构造函数，但由于list初始化的场景非常多，所以他有多个构造函数，下面的在模拟实现的时候可以细细体会，下面我们先见见有哪些构造函数：

    构造函数(Construct)

    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

    list modifiers 

    为来对list进行修改，也提供了一些修改的接口：

    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

    二、list的模拟实现

    为了更好的理解list的底层实现，下面将大家一起去模拟实现list。

    1、list框架搭建

    我们要模式实现list，而list是个带头双向链表，那么我们首先搭建一个list_node的类模板

    1. 	struct list_node
    2. 	{
    3. 		list_node*  _next;//指向后一个节点
    4. 		list_node*  _prev;//指向前一个节点
    5. 		T _data;//节点中的数据
    6. 		list_node(const T& x)
    7. 			:_next(nullptr)
    8. 			, _prev(nullptr)
    9. 			, _data(x)
    10. 		{}
    11. 	};

    这里我们要注意的是我们不仅仅定义了节点的指向，我们还应该对节点进行初始化。

    有了节点，那么我们就应该定义list类的主体，他的私有变量应该要有指向list_node的指针head,和记录链表个数的size,为了方便定义，这里我们可以直接对list_node的变量名重定义。

    1. 	template<class T>
    2. 	class list
    3. 	{
    4. 		typedef list_node node;
    5. 	public:
    6.         //各种成员函数
    7. 	private:
    8. 		node* _head;
    9. 		size_t _size;
    10. 	};

    下面我们就要实现各种成员函数就可以了，但是在实现成员函数之前，我们要先实现list的迭代器。

    2、模拟实现list迭代器

     我们在模式实现vector的迭代器的时候，认为迭代器就是一个指针。那么我们这里也可以把list的迭代器当作指针实现吗？这里显然是不可以的，为什么这么说呢？

    当一个指针++他跳过的是他的一个类型的大小，但是list节点并不是挨个存储的他节点的空间是随机的，节点间是依靠节点中存放对方的地址指向对方的。

    其实不仅仅++操作不满足，还有许多操作都是不满足的，如--操作。

    我们又该如何解决这个问题呢？

    其实我们可以用一个类模板，包含迭代器功能的成员函数，就可以解决。当我们调用迭代器时其实就是调用类模板中的成员函数。

    但是这里要注意一个细节：由于成员函数他的返回值可能存在类型的差异，比如：*解引用的时候，返回_pnode->_data,但是->的时候是&_pode->_data;

    这样类模板的参数就不仅仅是一个模板参数，而要三个模板参数才能解决。

    1. //定义迭代器
    2. 	template <class T,class Ref,class Ptr>
    3. 	struct __list_iterator
    4. 	{
    5. 		typedef list_node node;
    6. 		typedef __list_iterator Self;
    7. 		node* _pnode;
    8. 		//初始化
    9. 		__list_iterator(node* p)
    10. 			:_pnode(p)
    11. 		{}
    12.  
    13. 		Ptr operator->()
    14. 		{
    15. 			return &_pnode->_data;
    16. 		}
    17. 		Ref operator*()
    18. 		{
    19. 			return _pnode->_data;
    20. 		}
    21. 		Self& operator++()
    22. 		{
    23. 			_pnode = _pnode->_next;
    24. 			return *this;
    25. 		}
    26. 		Self operator++(int)
    27. 		{
    28. 			Self tmp(*this);
    29. 			_pnode = _pnode->_next;
    30. 			return tmp;
    31. 		}
    32. 		Self& operator--()
    33. 		{
    34. 			_pnode = _pnode->prev;
    35. 			return *this;
    36. 		}
    37. 		Self operator--(int)
    38. 		{
    39. 			Self tmp(*this);
    40. 			_pnode = _pnode->_prev;
    41. 			return tmp;
    42. 		}
    43. 		bool operator!=(const Self it)const
    44. 		{
    45. 			return _pnode != it._pnode;
    46. 		}
    47. 		bool operator==(const Self& it)const
    48. 		{
    49. 			return _pnode == it._pnode;
    50. 		}
    51. 	};

     其实不少同学可能会困惑，为什么要在迭代器中重载出->,这个不是我们在用结构体或者类中指针成员才用到的吗？

    我们要明白list节点中可能存放的不是数据,也可能是存放指针一个结构体的指针。

    下面我们来看代码理解：

    1. 	struct Pos
    2. 	{
    3. 		int _row;
    4. 		int _col;
    5.  
    6. 		Pos(int row = 0, int col = 0)
    7. 			:_row(row)
    8. 			, _col(col)
    9. 		{}
    10. 	};
    11.  
    12. 	void print_list(const list& lt)
    13. 	{
    14. 		list::const_iterator it = lt.begin();
    15. 		while (it != lt.end())
    16. 		{
    17. 			//it->_row++;
    18.  
    19. 			cout << it->_row << ":" << it->_col << endl;
    20.  
    21. 			++it;
    22. 		}
    23. 		cout << endl;
    24. 	}
    25. 	void test3()
    26. 	{
    27. 		list lt;
    28. 		Pos p1(1, 1);
    29. 		lt.push_back(p1);
    30. 		lt.push_back(p1);
    31. 		lt.push_back(p1);
    32. 		lt.push_back(Pos(2, 2));
    33. 		lt.push_back(Pos(3, 3));
    34.  
    35. 		// int* p  -> *p
    36. 		// Pos* p  -> p->
    37. 		list::iterator it = lt.begin();
    38. 		//list::iterator it2 = it;
    39. 		while (it != lt.end())
    40. 		{
    41. 			it->_row++;
    42.  
    43. 			//cout << (&(*it))->_row << ":" << (*it)._col << endl;
    44. 			cout << it->_row << ":" << it->_col << endl;
    45. 			//cout << it.operator->()->_row << ":" << it->_col << endl;
    46.  
    47. 			++it;
    48. 		}
    49. 		cout << endl;
    50.  
    51. 		print_list(lt);
    52. 	}

     这里我们定义了一个Pos的类，他的功能就是记录row 和col,在定义一个函数print_list打印list中的做标，下面在我们的测试函数在插入一些数据。如果是在测试函数体内打印lt本来是非常复杂的如果没有重载迭代器的->.

    这里理解: (&(*it))->_row？----->简单的来是就是要拿到这个it节点中的数据

    如果我们要拿到Pos中的数据就只要用Pos创建一个变量p,p->row,就能拿到类中的数据，但是现在我们只有一个指向链表节点的迭代器，也就是只要我们*解引用it就能拿到节点中的数据，但是节点中的数据是一个类的，要能到类Pos的数据就要拿到类的地址，并用->指向结构体中变量的数据。

    听起来是不是好晕，所以为了简化操作我们就在迭代器的类中封装了->.

    1. 	Ptr operator->()
    2. 		{
    3. 			return &_pnode->_data;//&这里是取地址，也就是说返回的指针
    4. 		}

    迭代器失效问题 

    我们都知道迭代器是用类封装好的里面有功能各异的成员函数，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。

    3、list整体实现 

    这里我们在整体实现的时候仍然采取分文件的做法，test.cpp用来包含所要的头文件，list.h用来实现list的主体内容。

    test.cpp

    1. #define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    2.  
    3. #include
    4. #include
    5. using namespace std;
    6. #include"list.h"
    7.  
    8. int main()
    9. {
    10. 	pjb::test1();
    11. 	return 0;
    12. }

    list.h

    1. #pragma once//防止头文件被多次包含
    2.  
    3.  
    4. namespace pjb
    5. {
    6. 	template<class T>
    7. 	struct list_node
    8. 	{
    9. 		list_node*  _next;
    10. 		list_node*  _prev;
    11. 		T _data;
    12. 		list_node(const T& x)
    13. 			:_next(nullptr)
    14. 			, _prev(nullptr)
    15. 			, _data(x)
    16. 		{}
    17. 	};
    18. 	//定义迭代器
    19. 	template <class T,class Ref,class Ptr>
    20. 	struct __list_iterator
    21. 	{
    22. 		typedef list_node node;
    23. 		typedef __list_iterator Self;
    24. 		node* _pnode;
    25. 		//初始化
    26. 		__list_iterator(node* p)
    27. 			:_pnode(p)
    28. 		{}
    29.  
    30. 		Ptr operator->()
    31. 		{
    32. 			return &_pnode->_data;
    33. 		}
    34. 		Ref operator*()
    35. 		{
    36. 			return _pnode->_data;
    37. 		}
    38. 		Self& operator++()
    39. 		{
    40. 			_pnode = _pnode->_next;
    41. 			return *this;
    42. 		}
    43. 		Self operator++(int)
    44. 		{
    45. 			Self tmp(*this);
    46. 			_pnode = _pnode->_next;
    47. 			return tmp;
    48. 		}
    49. 		Self& operator--()
    50. 		{
    51. 			_pnode = _pnode->prev;
    52. 			return *this;
    53. 		}
    54. 		Self operator--(int)
    55. 		{
    56. 			Self tmp(*this);
    57. 			_pnode = _pnode->_prev;
    58. 			return tmp;
    59. 		}
    60. 		bool operator!=(const Self it)const
    61. 		{
    62. 			return _pnode != it._pnode;
    63. 		}
    64. 		bool operator==(const Self& it)const
    65. 		{
    66. 			return _pnode == it._pnode;
    67. 		}
    68. 	};
    69.  
    70. 	//定义lsit的类
    71. 	template<class T>
    72. 	class list
    73. 	{
    74. 		typedef list_node node;
    75. 	public:
    76. 		typedef __list_iteratoriterator;
    77. 		typedef __list_iteratorconst T&,const T*> const_iterator;
    78. 		//初始化哨兵位的头
    79. 		void empty_initialize()
    80. 		{
    81. 			_head = new node(T());
    82. 			_head->_next = _head;
    83. 			_head->_prev = _head;
    84.  
    85. 			_size = 0;
    86. 		}
    87. 		//构造函数
    88. 		list()
    89. 		{
    90. 			empty_initialize();
    91. 		}
    92. 		//析构函数
    93. 		~list()
    94. 		{
    95. 			clear();
    96. 			//清除头节点
    97. 			delete _head;
    98. 			_head = nullptr;
    99. 		}
    100. 		void clear()
    101. 		{
    102. 			iterator it = begin();
    103. 			while (it != end())
    104. 			{
    105. 				it = erase(it);
    106. 			}
    107. 		}
    108. 		template <class InputIterator>
    109. 		list(InputIterator first, InputIterator last)
    110. 		{
    111. 			empty_initialize();
    112. 			while (first != last)
    113. 			{
    114. 				push_back(*first);
    115. 				++first;
    116. 			}
    117. 		}
    118. 		const_iterator begin() const
    119. 		{
    120. 			return const_iterator(_head->_next);
    121. 		}
    122.  
    123. 		const_iterator end() const
    124. 		{
    125. 			return const_iterator(_head);
    126. 		}
    127. 		
    128. 		iterator begin()
    129. 		{
    130. 			return iterator(_head->_next);
    131. 		}
    132. 		iterator end()
    133. 		{
    134. 			return iterator(_head);
    135. 		}
    136.  
    137. 		//交换
    138. 		void swap(list& lt)
    139. 		{
    140. 			std::swap(_head, lt._head);
    141. 			std::swap(_size, lt._size);
    142. 		}
    143. 		//lt2(lt1)
    144. 		list(const list& lt)
    145. 		{
    146. 			empty_initialize();
    147. 			list tmp(lt.begin(), lt.end());
    148. 			swap(tmp);
    149. 		}
    150. 		//lt3 = lt1
    151. 		list& operator=(list lt)
    152. 		{
    153. 			swap(lt);
    154. 			return *this;
    155. 		}
    156. 		//删除
    157. 		iterator erase(iterator pos)
    158. 		{
    159. 			assert(pos != end());
    160. 			node* prev = pos._pnode->_prev;
    161. 			node* next = pos._pnode->_next;
    162.  
    163. 			prev->_next = next;
    164. 			next->_prev = prev;
    165. 			delete pos._pnode;
    166. 			--_size;
    167. 			return iterator(next);
    168. 		}
    169. 		//插入
    170. 		iterator insert(iterator pos, const T& x)
    171. 		{
    172. 			//为插入申请新空间
    173. 			node* newnode = new node(x);
    174. 			node* cur = pos._pnode;//指向要插入位置的节点
    175. 			node* prev = cur->_prev;
    176.  
    177. 			prev->_next = newnode;
    178. 			newnode->_prev = prev;
    179. 			newnode->_next = cur;
    180. 			cur->_prev = newnode;
    181. 			++_size;
    182. 			return iterator(newnode);//返回新节点的地址
    183. 		}
    184. 		//尾插
    185. 		void push_back(const T& x)
    186. 		{
    187. 			insert(end(),x);
    188. 		}
    189. 		//头插
    190. 		void push_front(const T& x)
    191. 		{
    192. 			insert(begin(), x);
    193. 		}
    194. 		//尾删除
    195. 		void pop_back()
    196. 		{
    197. 			erase(--end());
    198. 		}
    199. 		bool empty()const
    200. 		{
    201. 			return _size == 0;
    202. 		}
    203. 		size_t size()const
    204. 		{
    205. 			return _size;
    206. 		}
    207.  
    208. 	private:
    209. 		node* _head;
    210. 		size_t _size;
    211. 	};
    212. 	//简单测试
    213. 	void test1()
    214. 	{
    215. 		list<int> lt;
    216. 		lt.push_back(1);
    217. 		lt.push_back(2);
    218. 		lt.push_back(3);
    219. 		lt.push_back(4);
    220. 		list<int>::iterator it = lt.begin();
    221. 		while (it != lt.end())
    222. 		{
    223. 			cout << *it << " ";
    224. 			++it;
    225. 		}
    226. 		cout << endl;
    227. 	}
    228. }

    这里我们看到模拟实现的时候，我们还写了一个测试案例，下面去验证一下

    三、list和vector的对比

    1、对比二者的优缺点

    vector

    Vector的优缺点

    优点

    缺点

    下标支持随机访问

    前面部分效率低O（N）

    尾插尾删效率高

    扩容有消耗，存在一定的空间浪费

    Cpu高速缓存命中高

    list 

    list的优缺点

    优点

    缺点

    按需申请空间，无需扩容

    不支持随机访问

    任意位置插入删除O(1)

    Cpu高速缓存命中低

    2、list和vector的排序效率 

    这里我们要注意的是list有自己专门sort排序，而vector是用算法库中的排序，这是因为list的结构的特殊性，算法库中的不能够满足list的排序。

    那二者那个效率更好呢?

    测试10万个数据二者的排序时间的差异：

    1. void test_op()
    2. {
    3. 	srand(time(0));
    4. 	const int N = 100000;
    5. 	vector<int> v;
    6. 	v.reserve(N);
    7.  
    8. 	list<int> lt;
    9. 	for (int i = 0; i < N; ++i)
    10. 	{
    11. 		auto e = rand();
    12. 		v.push_back(e);
    13. 		lt.push_back(e);
    14. 	}
    15.  
    16. 	int begin1 = clock();
    17. 	//对v排序
    18. 	sort(v.begin(), v.end());
    19. 	int end1 = clock();
    20. 	int begin2 = clock();
    21. 	//对lt排序
    22. 	lt.sort();
    23. 	int end2 = clock();
    24. 	printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
    25. 	printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
    26. }
    27.  
    28. int main()
    29. {
    30. 	test_op();
    31. 	return 0;
    32. }

     从上面来看vector的排序效率是远大于list的，所以我们一个尽量不要使用list的排序。

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