• C++标准模板库STL——list的使用及其模拟实现


    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)

    list的基本结构图

    2.list的使用

    我们这里可以简单看一下文档里面关于list各种构造函数的介绍

    2.1list的构造

    目前我们只掌握这四种构造函数的使用方法

    代码案例

    1. #include
    2. #include
    3.  
    4. using namespace std;
    5.  
    6. void test_list1()
    7. {
    8. 	list<int> lt1;   //1.这里我们构造了一个空的list对象
    9.  
    10. 	list<int> lt2(10, 100);  // 2.这里我们通过用构造了10个100的方式构造了lt2
    11.  
    12. 	//由于list不支持随机访问，所以下面我们需要借助迭代器遍历一下lt2
    13.  
    14. 	cout << "lt2中的元素遍历：" << endl;
    15. 	list<int>::iterator it = lt2.begin();
    16. 	while (it != lt2.end())
    17. 	{
    18. 		cout << *it << " ";
    19. 		it++;
    20. 	}
    21. 	cout << endl;
    22.  
    23. 	cout << "lt3拷贝lt2构造后的元素遍历：" << endl;
    24. 	list<int> lt3(lt2);
    25. 	list<int>::iterator its = lt3.begin();
    26. 	while (its != lt3.end())
    27. 	{
    28. 		cout << *its << " ";
    29. 		its++;
    30. 	}
    31. 	cout << endl;
    32.  
    33. 	list<int> lt4(lt3.begin(), lt3.end());
    34. 	cout << "lt4用lt3的迭代器区间构造后的元素遍历：" << endl;
    35. 	list<int>::iterator it1 = lt4.begin();
    36. 	while (it1 != lt4.end())
    37. 	{
    38. 		cout << *it1 << " ";
    39. 		it1++;
    40. 	}
    41. 	cout << endl;
    42.  
    43. }
    44.  
    45.  
    46. int main()
    47. {
    48. 	test_list1();
    49. 	return 0;
    50. }

    代码运行结果：

    2.2 list 迭代器 iterator 的使用

    迭代器分为正向迭代器和反向迭代器，像begin() 和end()返回的是正向迭代器，rbegin()和rend()返回的是反向迭代器，然后这两种迭代器又可以和const进行结合形成上面c++11新加的cbegin()和cend(),crbegin()和crend()，其对应的迭代器名称也要跟着变化,我们可以看一下文档中的这些函数的说明,

    注意

    iterator T* 可读可写

    const_iterator T* 只读

    const iterator 这样实现是迭代器本身不能修改

    const_iterator  重新定义的一个类型，做到的是本身可以修改，但是指向的内容不能修改

    下面我们通过代码举个例子

    测试代码：

    1. void test_list2()
    2. {
    3. 	//迭代器的使用,我们就简单通过常用的正反向迭代器进行说明,
    4. 	//前面加了const的迭代器只需要记得不能修改迭代器所指向的内容
    5.  
    6. 	//1.正向迭代器，我们用简单的遍历list元素来说明
    7. 	list<int> lt;
    8. 	lt.push_back(1);    //在list里面插入6个结点
    9. 	lt.push_back(2);
    10. 	lt.push_back(3);
    11. 	lt.push_back(4);
    12. 	lt.push_back(5);
    13. 	lt.push_back(6);
    14.  
    15. 	cout << "正向迭代器的遍历：" << endl;
    16. 	list<int>::iterator it = lt.begin();
    17. 	while (it != lt.end())
    18. 	{
    19. 		cout << *it << " ";
    20. 		it++;
    21. 	}
    22. 	cout << endl;
    23.  
    24. 	// 2.反向迭代器
    25. 	list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
    26. 	cout << "反向迭代器的遍历：" << endl;
    27. 	while (rit != lt.rend())
    28. 	{
    29. 		cout << *rit << " ";
    30. 		rit++;
    31. 	}
    32. 	cout << endl;
    33.  
    34. }

    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

    2.3 list的容量大小接口的使用

    代码测试：

    1. void test_list3()
    2. {
    3. 	//empty()接口和size()接口的使用，你会发现跟vector相比没有capacity（）
    4. 	list<int>  lt;
    5. 	cout << "empty():" << lt.empty() << endl;
    6. 	cout << "size():" << lt.size() << endl;
    7. 	lt.push_back(1);
    8. 	lt.push_back(2);
    9. 	lt.push_back(3);
    10. 	cout << "插入三个元素之后" << endl;
    11. 	cout << "empty():" << lt.empty() << endl;
    12. 	cout << "size():" << lt.size() << endl;
    13. }

    运行结果：

    2.4 list访问头尾元素的接口

    测试代码：

    1. void test_list4()
    2. {
    3. 	//front()接口和 back()接口的测试
    4.  
    5. 	list<int>  lt;
    6. 	lt.push_back(1);
    7. 	lt.push_back(2);
    8. 	lt.push_back(3);
    9. 	cout << "遍历" << endl;
    10. 	list<int>::iterator it = lt.begin();
    11. 	while (it != lt.end())
    12. 	{
    13. 		cout << *it << " ";
    14. 		it++;
    15. 	}
    16. 	cout << endl;
    17. 	cout << "第一个元素" << endl;
    18. 	cout << lt.front() << endl;
    19. 	cout << "最后一个元素" << endl;
    20. 	cout << lt.back() << endl;
    21. }

    测试结果：

    这个list底层是一个双向循环链表，所以通过头结点访问到第一个元素和最后一个元素比较简单，但是中间的元素就不支持随机访问了。

    2.5 list Modifiers

    我们先了解下以下这几个接口的使用方法

    1. //头插
    2. void push_front (const value_type& val);
    3.  
    4. //头删
    5. void pop_front();
    6.  
    7. //尾插
    8. void push_back (const value_type& val);
    9.  
    10.  
    11. //尾删
    12. void pop_back();
    13.  
    14.  
    15. //在pos位置插入元素val
    16. single element (1)	
    17. iterator insert (iterator position, const value_type& val);
    18.  
    19. //在pos位置插入n个元素val
    20. fill (2)	
    21.     void insert (iterator position, size_type n, const value_type& val);
    22.  
    23. //在pos位置插入一段迭代器区间的结点
    24. range (3)	
    25. template <class InputIterator>
    26.     void insert (iterator position, InputIterator first, InputIterator last);
    27.  
    28. //删除pos位置的结点
    29. iterator erase (iterator position);
    30.  
    31. //删除一段迭代器区间的结点
    32. iterator erase (iterator first, iterator last);
    33.  
    34. //交换两个链表，实际上只需要将头结点的指针跟大小size进行交换即可
    35. void swap (list& x);
    36.  
    37. //将链表数据清空
    38. void clear();
    39.  
    40.

    下面带大家来看看我们的使用案例

    测试代码：

    1. void test_list5()
    2. {
    3. 	list<int> lt;
    4. 	//尾插
    5. 	for (int i = 0; i < 10; i++)//尾插后的结点值是0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    6. 	{
    7. 		lt.push_back(i);
    8. 	}
    9.  
    10. 	//我们这里使用简单的范围for来进行遍历
    11. 	cout << "尾插后链表中的结点值为：" << endl;
    12.  
    13. 	for (auto e : lt)//范围for借助迭代器自动推导e的类型，自动给e赋值，自动往后++
    14. 	{
    15. 		cout << e << " ";
    16. 	}
    17. 	cout << endl;
    18.  
    19.  
    20. 	//头插
    21. 	lt.push_front(10);
    22. 	lt.push_front(20);    //头插这两个结点后变成：20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    23. 	cout << "头插后的链表结点值为：" << endl;
    24. 	for (auto e : lt)
    25. 	{
    26. 		cout << e << " ";
    27. 	}
    28. 	cout << endl;
    29.  
    30.  
    31. 	//头删
    32. 	lt.pop_front();
    33. 	lt.pop_front();
    34. 	lt.pop_front();     //头删之后变成：1 2 3 4 5 6 7 8 9
    35. 	cout << "头删之后：" << endl;
    36. 	for (auto e : lt)
    37. 	{
    38. 		cout << e << " ";
    39. 	}
    40. 	cout << endl;
    41.  
    42.  
    43. 	//尾删
    44. 	lt.pop_back();
    45. 	lt.pop_back();
    46. 	lt.pop_back();     //尾删之后变成： 1 2 3 4 5 6
    47. 	cout << "尾删之后：" << endl;
    48. 	for (auto e : lt)
    49. 	{
    50. 		cout << e << " ";
    51. 	}
    52. 	cout << endl;
    53.  
    54.  
    55. 	//在pos位置插入一个值为val的结点
    56. 	list<int>::iterator it = lt.begin();
    57. 	it++;
    58. 	lt.insert(it, 20);  //此时变成 1 20 2 3 4 5 6
    59.  
    60. 	cout << "在第2个结点位置插入一个20:" << endl;
    61. 	for (auto e : lt)
    62. 	{
    63. 		cout << e << " ";
    64. 	}
    65. 	cout << endl;
    66.  
    67. 	//在pos位置插入n个值为val的结点
    68. 	it++;
    69. 	++it;
    70. 	lt.insert(it, 5, 30);//在第4个结点的位置插入5个30
    71. 	cout << "在第4个结点的位置插入5个30后：" << endl;
    72. 	for (auto e : lt)
    73. 	{
    74. 		cout << e << " ";
    75. 	}
    76. 	cout << endl;
    77.  
    78. 	//在pos位置插入一段迭代器区间
    79. 	list<int> lt2(10, 100);
    80. 	lt.insert(it, lt2.begin(), lt2.end());//将lt2的10个值为100的结点从lt的第4个结点插入
    81. 	cout << "插入一段迭代器区间之后:" << endl;
    82. 	for (auto e : lt)
    83. 	{
    84. 		cout << e << " ";
    85. 	}
    86. 	cout << endl;
    87.  
    88. 	//删除pos位置的结点   这里我们会涉及一个迭代器失效的问题，我们后面再说
    89. 	it = lt.erase(it);
    90. 	cout << "删除it位置的结点后：" << endl;
    91. 	for (auto e : lt)
    92. 	{
    93. 		cout << e << " ";
    94. 	}
    95. 	cout << endl;
    96.  
    97. 	//删除一段迭代器区间的结点
    98. 	it = lt.erase(it, lt.end());//我们将it以及之后的结点都删除
    99. 	cout << "将it后面位置的结点都删除了" << endl;
    100. 	for (auto e : lt)
    101. 	{
    102. 		cout << e << " ";
    103. 	}
    104. 	cout << endl;
    105.  
    106. 	//交换两个链表
    107. 	//我们先看看lt和lt2的两个链表结点的值，然后交换
    108. 	cout << "lt：" << endl;
    109. 	for (auto e : lt)
    110. 	{
    111. 		cout << e << " ";
    112. 	}
    113. 	cout << endl;
    114. 	cout << "lt2:" << endl;
    115. 	for (auto e : lt2)
    116. 	{
    117. 		cout << e << " ";
    118. 	}
    119. 	cout << endl;
    120.  
    121. 	//交换后
    122. 	lt.swap(lt2);
    123. 	cout << "交换后：" << endl;
    124. 	cout << "lt：" << endl;
    125. 	for (auto e : lt)
    126. 	{
    127. 		cout << e << " ";
    128. 	}
    129. 	cout << endl;
    130. 	cout << "lt2:" << endl;
    131. 	for (auto e : lt2)
    132. 	{
    133. 		cout << e << " ";
    134. 	}
    135. 	cout << endl;
    136.  
    137. 	//将链表数据清空
    138. 	cout << "将两个链表的数据都清空之后：" << endl;
    139. 	lt.clear();
    140. 	lt2.clear();
    141. 	cout << "lt：" << endl;
    142. 	for (auto e : lt)
    143. 	{
    144. 		cout << e << " ";
    145. 	}
    146. 	cout << endl;
    147. 	cout << "lt2:" << endl;
    148. 	for (auto e : lt2)
    149. 	{
    150. 		cout << e << " ";
    151. 	}
    152. 	cout << endl;
    153.  
    154. }

    测试结果：

    2.6 list的迭代器失效问题

    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。

    1. void TestListIterator1()
    2. {
    3. 	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    4. 	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    5. 	auto it = l.begin();
    6. 	while (it != l.end())
    7. 	{
    8. 		// 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
    9. 		//其赋值
    10. 			l.erase(it);
    11. 		++it;
    12. 	}
    13. }

    运行这段代码之后，因为迭代器失效导致运行失败

    所以当我们删除了某个结点之后，迭代器需要重新赋值，而为了解决这个问题，给erase这个函数添加了一个返回值，返回一个迭代器，返回被删除的结点的后一个结点的迭代器这样用it可以接受就可以使得迭代器it再次生效

    将代码改正之后：

    1. // 改正
    2. void TestListIterator()
    3. {
    4.     int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    5.     list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
    6.     auto it = l.begin();
    7.     while (it != l.end())
    8.     {
    9.         l.erase(it++); // it = l.erase(it);
    10.     }
    11. }

    这样就没有什么大问题了

    3. list 的模拟实现

    1. #pragma once
    2. #include
    3. #include
    4. #include
    5.  
    6. using namespace std;
    7. namespace mylist 
    8. {
    9. 	template<class T>
    10.     //链表的每个结点的结构
    11. 	struct list_node 
    12. 	{
    13. 		T _data;            //存放数据
    14. 		list_node* _prev;//指向前一个结点的指针
    15. 		list_node* _next;//指向后一个结点的指针
    16.  
    17. 		list_node(const T& val = T())  //构造一个结点对象
    18. 			:_data(val)
    19. 			, _prev(nullptr)
    20. 			, _next(nullptr)
    21. 		{ }
    22. 	};
    23.  
    24. 	// T T& T*
    25. 	// T cosnt T& const T*
    26. 	template<class T,class Ref,class Ptr>
    27. 	struct __list_iterator                   //list的迭代器结构
    28. 	{
    29. 		typedef list_node Node;             //结点
    30. 		typedef __list_iterator _self; //_self就是一个实例化的迭代器
    31. 		Node* _node;                          //结点的指针
    32.  
    33. 		__list_iterator(Node* node)
    34. 			:_node(node)
    35. 		{
    36.  
    37. 		}
    38.  
    39. 		Ref operator*()                //重载运算符* 通过*能够访问结点里面的数据
    40. 		{
    41. 			return _node->_data;
    42. 		}
    43.         
    44. 		Ptr operator->()         //重载-> ， 结构体指针访问成员可以用结构体对象->结构体成员
    45. 		{
    46. 			return &_node->_data;
    47. 		}
    48.  
    49. 		_self& operator++()   //重载运算符前置++,返回下一个结点的迭代器
    50. 		{
    51. 			_node = _node->_next;
    52. 			return (*this);
    53. 		}
    54.  
    55. 		_self& operator--()  //重载运算符前置--,返回前一个结点的迭代器
    56. 		{
    57. 			_node = _node->_prev;
    58. 			return (*this);
    59. 		}
    60.  
    61. 		_self operator++(int)  //重载运算符后置++,返回当前结点的迭代器的拷贝再++
    62. 		{
    63. 			Node* tmp(_node);
    64. 			_node = _node->_next;
    65.  
    66. 			return tmp;
    67. 		}
    68.  
    69. 		_self operator--(int) //重载运算符前置--,返回当前一个结点迭代器的拷贝再--
    70. 		{
    71. 			Node* tmp(_node);
    72. 			_node = _node->_prev;
    73.  
    74. 			return tmp;
    75. 		}
    76.  
    77. 		bool operator!=(const _self& n)  //重载迭代器的比较运算符!=
    78. 		{
    79. 			return this->_node != n._node;
    80. 		}
    81.  
    82. 		bool operator==(const _self& n)  //重载迭代器的比较运算符==
    83. 		{
    84. 			return this->_node == n._node;
    85. 		}
    86.  
    87. 	};
    88.  
    89.  
    90. 	template<class T>
    91. 	class list
    92. 	{
    93. 		typedef list_node Node;
    94. 	public:
    95.  
    96. 		typedef __list_iterator iterator;
    97. 		typedef __list_iteratorconst T&, const T*> const_iterator;
    98.  
    99.  
    100. 		const_iterator begin() const
    101. 		{
    102. 			return const_iterator(_head->_next);
    103. 		}
    104. 			
    105. 		const_iterator end() const
    106. 		{
    107. 			return const_iterator(_head);
    108. 		}
    109.  
    110. 		iterator begin()
    111. 		{
    112. 			return (_head->_next);
    113. 		}
    114.  
    115. 		iterator end()
    116. 		{
    117. 			return _head;
    118. 		}
    119.  
    120. 		void empty_init()
    121. 		{
    122. 			_head = new Node;
    123. 			_head->_next = _head;
    124. 			_head->_prev = _head;
    125. 			_size = 0;
    126. 		}
    127.  
    128. 		void clear()
    129. 		{
    130. 			iterator it = begin();
    131. 			while (it != end())
    132. 			{
    133. 				it = erase(it);
    134. 			}
    135.  
    136. 		}
    137.  
    138. 		void swap(list& lt)
    139. 		{
    140. 			std::swap(_head, lt._head);
    141. 			std::swap(_size, lt._size);
    142. 		}
    143.  
    144. 		list()
    145. 		{
    146. 			empty_init();
    147. 		}
    148.  
    149. 		//lt1(lt2)
    150. 		list(const list& lt)
    151. 		{
    152.  
    153. 			empty_init();
    154. 			for (auto e : lt)
    155. 			{
    156. 				push_back(e);
    157. 			}
    158. 		}
    159.  
    160. 		~list()
    161. 		{
    162. 			clear();
    163. 			delete _head;
    164. 			_head = nullptr;
    165. 		}
    166.  
    167.  
    168. 		list<int>& operator=(list<int>lt)
    169. 		{
    170. 			swap(lt);
    171. 			return *this;
    172. 		}
    173.  
    174. 		void push_back(const T& x)
    175. 		{
    176. 			insert(end(), x);
    177. 		}
    178.  
    179.  
    180. 		void push_front(const T& x)
    181. 		{
    182. 			insert(begin(), x);
    183. 		}
    184.  
    185. 		void pop_back(const T& x)
    186. 		{
    187. 			erase(--end());
    188. 		}
    189.  
    190.  
    191. 		void pop_front(const T& x)
    192. 		{
    193. 			erase(begin());
    194. 		}
    195.  
    196. 		iterator insert(iterator pos, const T& x)
    197. 		{
    198. 			Node* newnode = new Node(x);
    199. 			Node* cur = pos._node;
    200. 			Node* prev = cur->_prev;
    201.  
    202. 			prev->_next = newnode;
    203. 			newnode->_prev = prev;
    204.  
    205. 			newnode->_next = cur;
    206. 			cur->_prev = newnode;
    207.  
    208. 			++_size;
    209. 			return iterator(newnode);
    210.  
    211. 		}
    212.  
    213. 		iterator erase(iterator pos)
    214. 		{
    215. 			Node* cur = pos._node;
    216. 			Node* prev = cur->_prev;
    217. 			Node* next = cur->_next;
    218.  
    219. 			delete cur;
    220. 			prev->_next = next;
    221. 			next->_prev = prev;
    222. 			--_size;
    223. 			return iterator(next);
    224. 		}
    225.  
    226.  
    227. 		size_t size()
    228. 		{
    229. 			return _size;
    230. 		}
    231.  
    232.  
    233. 	private:
    234. 		Node* _head; //list的头结点
    235. 		size_t _size;//list的大小
    236.  
    237. 	};
    238. }

    4. list和vector的比较

    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：

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_63181097/article/details/133255298