【C++】list

list基本介绍

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的构造

构造空的list

explicit list (const allocator_type& alloc = allocator_type());

构造的list中包含n个值为val的元素

explicit list (size_type n, const value_type& val = value_type(),
                const allocator_type& alloc = allocator_type());

用 [first, last) 区间中的元素构造 list

template 
  list (InputIterator first, InputIterator last,
         const allocator_type& alloc = allocator_type());

拷贝构造函数

list (const list& x);

list迭代器

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

list capacity

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

list element access

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

list modifiers

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

list模拟实现

首先封装好一个结点：

为了方便我们在list中利用typedef简化结点的表达方式

typedef list_node Node;

list成员变量只需要一个哨兵位头节点：

首先实现list的迭代器使其能够像vector那样利用迭代器进行数据的访问，我们想要使list迭代器像vector一样支持++访问下一个位置的数据，但是list结点之间不一定是连续的，正常的对指针++是无法访问到下一个结点的数据的，因此，list迭代器的实现不同于vector可以直接将指针作为迭代器，list需要将结点指针作为一个list迭代器类的成员变量进行封装。然后重载++等各种运算符，使其在表示上同vector一样，同时考虑到普通迭代器和const迭代器的访问区别，一般的直接在普通迭代器基础上加const的方式也变得不可行了，因此这里通过增加模板参数实现const迭代器，具体过程如下：

迭代器实现完成后，就是list剩余函数的实现了

完整代码

#include
#include
using namespace std;
 
namespace my_list
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _val;
 
		list_node(const T& val=T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_val(val)
		{}
	};
 
	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->_val;
		}
 
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_val;
		}
 
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
 
		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
 
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}
 
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
 
		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
 
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}
 
		bool operator!=(const self& it) const
		{
			return _node != it._node;
		}
 
		bool operator==(const self& it) const
		{
			return _node == it._node;
		}
	};
 
	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node Node;
		
	public:
		typedef __list_iterator iterator;
		typedef __list_iteratorconst T&, const T*> const_iterator;
 
		iterator begin()
		{
			_head->_next;//单参数的构造函数支持隐式类型转换，因为这里返回的时iterator，iterator的构造函数是单参数的
		}
 
		iterator end()
		{
			_head;
		}
 
		const_iterator begin() const
		{
			_head->_next;
		}
 
		const_iterator end() const
		{
			_head;
		}
 
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
 
		list(const list& lt)
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
 
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		void swap(list& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
		}
		list& operator=(list lt)
		{
			swap(lt);
 
			return *this;
		}
 
		~list()
		{
			clear();
 
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
 
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
 
		void push_back(const T& x)
		{
			Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);
 
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}
 
		void pop_back()
		{
			erease(--end());
		}
 
		void pop_front()
		{
			erease(begin());
		}
 
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);
 
			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			newnode->_prev = prev;
 
			return newnode;
		}
 
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
 
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;
 
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
 
			delete cur;
			return next;
		}
 
		size_t size()
		{
			size_t sz = 0;
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				++sz;
				++it;
			}
			return sz;
		}
 
	private:
		Node* _head;
	};
}

list&vector对比

	vector	list
底层结构	动态顺序表，一段连续空间	带头结点的双向循环列表
随机访问	支持随机访问，访问某个元素的效率是O(1)	不支持随机访问，访问某个元素效率是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，因为插入元素可能导致重新扩容，致使原来的迭代器失效，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