[ C++ ] STL_list 使用及其模拟实现

本篇博客学习有关STL库中list的使用及其重要接口的模拟实现。

目录

1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

1.2 list的使用

2.list的迭代器

3.list的构造

4. list capacity

5. list常用接口

5.1 insert

5.2 push_front 

5.3  push_back

5.4 erase

5.5  pop_front

5.6 pop_back

5.7 swap

5.8 clear

6.list的迭代器失效

7. list 和 vector 的对比

1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list官方文档介绍

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，我们只需要熟悉使用常用的接口以及深入研究其背后的原理即可。

2.list的迭代器

list的迭代器是一个自定义类型的指针，该指针指向list中的某个节点

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!=()

我们首先实现一个简单的list的iterator

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、rebegin(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。

    // T  T&  T*
    template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node Node;
		typedef __list_iterator self;
		Node* _node;
 
		__list_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
 
 
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
 
		Ptr operator->()
		{
			//返回的是节点数据的地址  AA*
			return &_node->_data;
		}
 
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
 
		//后置++
		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		//后置--
		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}
		bool operator!=(const self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}
 
		bool operator==(const self& it)
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

3.list的构造

构造空的list：

        list()
		{
			_head = new Node();
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

拷贝构造函数：

		list(const list& lt)
		{
			_head = new Node();
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
 
			for (auto e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
 
		}

用[first, last)区间中的元素构造list：

        template <class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			_head = new Node();
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
 
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

4. list capacity

5. list常用接口

5.1 insert

方法：

1、首先创建一个新节点newnode，赋值为x。

2、创建两个指针，cur指向pos位置的节点，prev指向pos位置之前的节点

3、prev newnode cur 三个指针依次连接，返回newnode的迭代器。
 

代码实现：

		//插入在pos位置之前
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* newNode = new Node(x);
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			//prev newnode cur
			prev->_next = newNode;
			newNode->_prev = prev;
			newNode->_next = cur;
			cur->_prev = newNode;
			return iterator(newNode);
		}

5.2 push_front 

方法：

1、我们复用insert即可，头插就是在第一个元素前插入一个元素，因此我们只需要insert(begin(),x)即可

代码实现：

        void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}

5.3  push_back

方法：

1、尾插，就是在最后一个节点后插入新节点，我们依然可以复用insert,由于我们实现的list是双向循环链表，因此我们只需要在end前插即可

		void push_back(const T& x)
		{
			//Node* tail = _head->_prev;
			//Node* newnode = new Node(x);
			 _head tail newnode 
			//tail->_next = newnode;
			//newnode->_prev = tail;
			//newnode->_next = _head;
			//_head->_prev = newnode;
			
            insert(end(), x);
		}

5.4 erase

方法：

1、首先创建3个指针，cur指向pos位置的节点，prev指向pos位置的前一个节点，next指向pos位置的后一个节点。

2、让prev和next相互连接

3、delete掉cur，返回next指针指向节点的迭代器

代码实现：

        //删除后指向erase(it)之后的节点
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;
 
			//prev next
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;
 
			return iterator(next);
		}

5.5  pop_front

头删，复用erase即可

代码实现：

        void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

5.6 pop_back

尾删，复用erase即可

        void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}

5.7 swap

list的swap交换，只要交换两个链表的head，即可讲两个链表相互交换

        void swap(list& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
		}

5.8 clear

方法：

链表的clear：我们需要将链表的每一个节点释放掉，因此我们使用迭代器时erase即可。

	    void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}

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 。

我们来看这段代码：

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;
	}
}

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);
	}
}

7. list 和 vector 的对比