【c++】探究C++中的list：精彩的接口与仿真实现解密

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朋友们大家好，本篇文章来到list有关部分，这一部分函数与前面的类似，我们简单讲解，重难点在模拟实现时的迭代器有关实现

目录

`1.List介绍``2.接口函数``operations` `3.模拟实现``3.1基本框架``3.2 list的基本函数``3.3迭代器的封装和实现``++等重载函数的实现``与list的关联` `3.4list函数完善``3.5迭代器进一步完善``const迭代器``合并两种迭代器`

1.List介绍

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）

所以list本质就是我们的双向循环链表，我们接下来看它的接口函数

2.接口函数

构造函数

这里的构造函数与vector类似

Default constructor (构造一个空的 std::list):

std::list<int> myList1;  // 创建一个空的整型链表

Fill constructor (构造一个有特定数量元素且每个元素都有相同初始值的 std::list):

std::list<int> myList2(5, 10); // 创建一个有5个元素的链表，每个元素都初始化为10

Range constructor (从另一个迭代器定义范围的容器中构建 std::list):

std::vector<int> myVector{1, 2, 3, 4, 5};std::list<int> myList3(myVector.begin(), myVector.end()); // 使用vector的范围来初始化链表

Copy constructor (使用另一个 std::list 来构造一个新的 std::list, 是副本):

std::list<int> myOriginalList{1, 2, 3, 4, 5};std::list<int> myList4(myOriginalList); // 使用另一个list来初始化这个新的list

每个构造函数都有它们独特的用途，可以根据具体需要选择合适的构造函数进行对象的创建和初始化。

默认构造函数创建一个没有任何元素的空链表。填充构造函数允许创建一个包含特定数量相同值的元素的链表。范围构造函数可以从任何提供迭代器接口的其他容器复制元素。拷贝构造函数创建了一个当前list的副本。

填充构造函数前面的explicit关键字表明这个构造函数不能用于隐式转换或复制初始化，它需要直接调用来构造对象。其他构造函数则根据是否带有explicit关键字来决定是否能用于隐式转换或复制初始化

迭代器

迭代器用来遍历链表，下面是迭代器的简单使用

list<int> lt = { 10,20,30,40,50 };list<int>::iterator i1 = lt.begin();while (i1 != lt.end()){cout << *i1 << " ";i1++;}cout << endl;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;

容量操作

empty检测list是否为空，是返回true，否则返回falsesize返回有效元素个数的值

元素访问

front返回list的第一个节点值的引用back返回list的最后一个节点值的引用

内容操作

这里大多数函数我们在前面都讲解过，包括头插头删尾插尾删之类的

insert在这里不会出现迭代器失效

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

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()){l.erase(it);++it;}}

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

修改：

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);}}

l.erase(it++);

这一行做了以下几件事情：

it++ 表达式返回 it 的当前值（我们来称它为“旧迭代器”），然后将 it 自增，指向下一个元素（现在 it 指向“新迭代器”）。l.erase(旧迭代器) 调用删除了旧迭代器当前指向的元素，并使这个旧迭代器失效。因为 it 已经自增，它现在指向原来被删除元素的下一个元素，因此循环可以继续。

请注意对于 std::list，这个行为是有效的，因为 erase 不会影响除了被删除元素之外的任何迭代器。但如果是其他类型的容器，如 std::vector 或 std::deque 中使用相同的技巧就可能会出问题，因为这些容器的 erase 操作可能会导致所有指向被删除元素之后元素的迭代器全部失效。因此，应谨慎地使用这种技术，并且要确认你了解容器的迭代器失效规则。

operations

std::list 提供了一些有用的成员函数，允许执行各种操作，如元素的合并、移除、排序和倒序。下面是这些函数的简要说明和使用示例：

splice: 将元素从一个列表转移到另一个列表，可以转移整个列表、一个单独的元素或一个元素范围。不会执行任何元素的复制或者移动操作，只是在内部节点之间调整指针。

std::list<int> list1 = {1, 2, 3};std::list<int> list2 = {4, 5, 6};list1.splice(list1.end(), list2);  // 把list2的所有元素移动到list1的末尾

remove: 从列表中移除所有具有特定值的元素。

std::list<int> myList = {1, 2, 3, 3, 4, 3, 5};myList.remove(3);  // 移除所有值为3的元素

remove_if: 根据一个判断条件移除元素。

std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};myList.remove_if([](int n){ return n % 2 == 0; });  // 移除myList中所有偶数元素

unique: 移除连续并且重复的元素，只保留唯一的元素。

std::list<int> myList = {1, 1, 2, 2, 2, 3, 4, 4, 5, 5};myList.unique();  // 移除相邻重复的元素，列表变为1, 2, 3, 4, 5

merge: 合并两个已排序的列表，并确保结果列表也是排序的。

std::list<int> list1 = {1, 3, 5};std::list<int> list2 = {2, 4, 6};list1.merge(list2);  // 合并两个列表为1, 2, 3, 4, 5, 6

sort: 对列表中的元素进行排序。它接受一个比较函数作为参数（可选）。

std::list<int> myList = {4, 3, 5, 2, 1};myList.sort();  // 排序列表为1, 2, 3, 4, 5

reverse: 反转列表中元素的顺序。

std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};myList.reverse();  // 反转后列表为5, 4, 3, 2, 1

这些操作与 std::list 的双向链表特性和内部实现密切相关。例如，splice 不产生元素复制，因为链表中的节点可以简单地重新链接。对于排序操作，std::list 提供了特定的成员函数 sort 以优化排序算法，因为链表不支持随机访问，标准的排序算法（如 std::sort）不适用。

3.模拟实现

3.1基本框架

namespace own {    template<class T>    struct ListNode    {        ListNode<T>* _next;        ListNode<T>* _prev;        T _data;        ListNode(const T&x=T())            :_next(nullptr)            , _prev(nullptr)            , _data(x)        {}    };    template<class T>    class list     {        typedef ListNode<T> Node;    private:        Node* _head;        size_t _size;    };}

这段代码实现了一个简单双向链表的基础结构。让我们分两部分来解释这个代码：

namespace own：命名空间 own 用于封装代码，避免与其他库中的同名类型或函数冲突。在这个命名空间中，定义了模板类 ListNode 和模板类 list。

模板类 ListNode 的定义：

template<class T>struct ListNode {    ListNode<T>* _next;    ListNode<T>* _prev;    T _data;    ListNode(const T& x=T())        : _next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x) {}};

这是一个结构体模板，它定义了双向链表的一个节点。每个 ListNode 包含三个成员：

_next 指向下一个 ListNode 的指针_prev 指向前一个 ListNode 的指针_data 存储节点的数据，其类型为模板参数 T

ListNode 还有一个构造函数，它接受一个 const T& 类型的参数，如果构造函数没有提供参数，则会使用 T 类型的默认构造函数来初始化 _data。构造函数还将 _next 和 _prev 初始化为 nullptr，表示链表的下一个和前一个节点分别不存在

模板类 list 的定义：

template<class T>class list {    typedef ListNode<T> Node;private:    Node* _head;    size_t _size;};

这个类表示双向链表本身：

类型定义 typedef ListNode<T> Node 是为了简化代码，使得在类 list 中可以直接使用 Node 来指代 ListNode<T>。_head 是一个指向链表头部节点的指针。_size 是一个 size_t 类型的值，用来存储链表的长度（即节点个数）。

3.2 list的基本函数

🔥list()

list(){    _head = new Node;    _head->_next = _head;    _head->_prev = _head;    _size = 0;}

带头双向循环链表，我们初始化时让它的头结点的前一个指针和后一个指针指向自身

🔥尾插push_back()

void push_back(const T& x){    Node* newnode = new Node(x);    Node* tail = _head->_prev;    tail->_next = newnode;    newnode->_prev = tail;    newnode->_next = _head;    _head->_prev = newnode;    _size++;}

获取尾节点，即head的上一个位置更新四个指针即可

那我们完成了尾插工作，接下来如何实现下面的遍历呢？

void test1(){    list<int> lt;    lt.push_back(1);    lt.push_back(2);    lt.push_back(3);    lt.push_back(4);    lt.push_front(6);    list<int>::iterator it = lt.begin();    while (it != lt.end())    {        cout << *it << " ";        ++it;    }    cout << endl;}

这部分来到本篇的重点，迭代器的封装和实现

3.3迭代器的封装和实现

我们思考一下，这里原生指针能否代替迭代器？

我这里的指针，只能是Node*，Node*++不会加到下一个节点，这里的++需要我们自己重载实现，解引用也取不到当前节点的位置，这些函数都需要我们自己重载实现，所以，我们需要对迭代器进行封装

template<class T>struct ListIterator{    typedef ListNode<T> Node;    Node* _node;    ListIterator(Node* node)        :_node(node)    {}};

注意，我们迭代器实在list类域访问的:

list<int>::iterator it = lt.begin();

这里我们就需要在list类里面进行嵌套

template<class T>class list {public:    // 这是一个嵌套类型的别名定义。    typedef ListIterator<T> iterator;    // ...};

list<int>::iterator it = lt.begin(); 这一行涉及到了所谓的嵌套类型或者内嵌类型。

在C++中，当一个类型（比如 ListIterator<T>）是在另一个类型的作用域内部定义的（比如 list<T>）时，这个类型被称为嵌套类型。嵌套类型通常用于与外部类型紧密相关联的概念，例如迭代器、节点或其他辅助类。

在 list 类中定义了 iterator 类型作为 ListIterator<T> 类型的别名：

template<class T>class list {public:      typedef ListIterator<T> iterator;};

这里的 iterator 是 list 类的嵌套类型的别名，所以当我们在类外部引用它时，我们需要使用类的名称（在这个例子中是 list<int>），后跟两个冒号来限定作用域，然后是别名 iterator。因此 list<int>::iterator 指的是 ListIterator<int>，它是链接到特定的 list 实例化类型的迭代器类型

要点是，内嵌类型通常在类定义内部，并且与该类紧密关联。当我们在类外部谈到这些类型时，需要使用类的名称来限定这些类型，就像我们引用 list<int>::iterator 一样。这种设计方式提供了良好的封装和组织结构，在集合和容器类（如 list）中是一种常见做法

迭代器就是一个节点的指针，我们这个类的成员就是_node（节点指针）

 typedef ListNode<T> Node;    Node* _node;    ListIterator(Node* node)        :_node(node)    {}

这里用一个节点的指针就可以对迭代器进行初始化

++等重载函数的实现

这个封装类的关键就是对这进行重载函数

🔥operator++()与operator- -()

这里++加到下一个节点，改变节点指针：

前置++

typedef ListIterator<T> SelfSelf& operator++(){    _node = _node->_next;    return *this;}

后置++

Self operator++(int){    Self tmp(*this);    _node = _node->_next;    return tmp;}

先拷贝构造一份，返回++之前的值

这里迭代器我们没有写拷贝构造，调用默认的拷贝构造进行浅拷贝，这里的浅拷贝是可以的，因为我的期望就是两个指针都只向同一个节点

Self& operator--(){    _node = _node->_prev;    return *this;}Self operator--(int){    Self tmp(*this);    _node = _node->_prev;    return tmp;}

🔥operator*()

这里解引用得到节点的值，需要我们自己手动重载实现：

T& operator*(){    return _node->_data;}

这里返回的是引用值，是对原数据可直接修改的

🔥operator!=()

我们在循环中还有判断两个迭代器不相等，本质就是两个节点指针不相等

bool operator!=(const Self& it){    return _node != it._node;}

基本完成类的封装后，我们需要把它和list连起来

与list的关联

这里begin和end只能由list提供

template<class T>class list {    typedef ListNode<T> Node;public:    typedef ListIterator<T> iterator;    iterator begin()    {        return iterator(_head->_next);//匿名对象    }    iterator end()    {        return iterator(_head);//最后一个位置的下一个位置    }    ''''''''''''''''''''''''''''''''''''    //其他函数    private:    Node* _head;    size_t _size;};

begin返回第一个数据的迭代器，end返回最后一个数据的下一个位置

测试代码：

void test1(){    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;}

由于我的外部代码使用了iterator别名，这里typedef ListIterator<T> iterator;必须放在public下

3.4list函数完善

有了迭代器，我们就可以完善其他的list函数

🔥insert()

void insert(iterator pos, const T& val){    Node* cur = pos._node;//拿到这个位置的节点    Node* newnode = new Node(val);    Node* prev = cur->_prev;    prev->_next = newnode;    newnode->_prev = prev;    newnode->_next = cur;    cur->_prev = newnode;    _size++;}

🔥erase()

iterator erase(iterator pos){    Node* cur = pos._node;    Node* prev = cur->_prev;    Node* next = cur->_next;    prev->_next = next;    next->_prev = prev;    delete cur;    --_size;    return iterator(next);}

erase删除返回的是下一个位置的迭代器

🔥头尾删插

有了insert和erase，我们这几个函数就可以直接进行复用

void push_front(const T& x){    insert(begin(), x);}void push_back(const T& x){    insert(end(), x);}void pop_back(){    erase(--end());}void pop_front(){    erase(begin());}

与size相关函数：

size_t size()const{    return _size;}bool empty(){    return _size == 0;}

🔥链表销毁

void clear(){    iterator it = begin();    while (it != end())    {        it = erase(it);    }}~list(){    clear();    delete _head;    _head = nullptr;}

3.5迭代器进一步完善

对于下面的这种类

 struct A {     int _a1;     int _a2;     A(int a1 = 0, int a2 = 0)         :_a1(a1)         , _a2(a2)     {} };

如果list存的是上面的自定义类型呢？

插入有以下几种方法：

void test_list2(){    list<A> lt;    A aa1(1, 1);    A aa2 = { 1, 1 };    lt.push_back(aa1);    lt.push_back(aa2);    lt.push_back(A(2, 2));    lt.push_back({ 3, 3 });    lt.push_back({ 4, 4 });  }

上面代码使用不同方式来创建和插入 A 类型的对象到自定义的 list 容器中。下面是每种方式的详细说明以及它们所涉及的概念：

有名对象的直接插入:

A aa1(1, 1);lt.push_back(aa1);

这里，首先创建了一个命名对象 aa1，使用了 A 的构造函数 A(int a1, int a2) 并为其提供了两个参数。然后，你将 aa1 作为参数传递给 lt.push_back() 函数。在这种情况下，aa1 是有名对象（也就是说，它有一个名称），并且 push_back 函数接受到的是 aa1 的一个副本

多参数隐式类型转换:

A aa2 = { 1, 1 };lt.push_back(aa2);

aa2 通过列表初始化的方式被创建。这里的列表初始化允许直接用花括号 {} 来初始化对象。C++11 引入的列表初始化特性可以用来初始化任何对象，包括具有构造函数的对象。创建了 aa2 有名对象并将其插入到列表中

通过构造函数创建匿名对象并插入:

lt.push_back(A(2, 2));

在这里，没有给新创建的 A 对象一个名字，因此它是一个匿名对象（也称作临时对象）。这个匿名的 A 对象是通过调用它的构造函数来直接初始化的，并立即被传递到 push_back 函数中。

通过隐式类型转换创建匿名对象并插入:

lt.push_back({ 3, 3 });

与第三种方式类似，创隐式类型转换建了一个匿名的 A 对象，但这次是通过。初始化时没有使用相应类型的构造函数，而是依赖编译器生成的代码来创建一个具有给定初始化列表的对象，并将其传递给 push_back 函数。

在所有这些情况中，实际插入到 list 容器中的都是 A

现在我们来进行遍历：

list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){    cout<<*it<<" ";    ++it;}

A是自定义类型，不支持留插入，我们解引用得到的_data是A的对象

这里数据是公有的，解引用得到的可以通过.访问符进行访问

cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;

这种访问方式相当于这种形式：

A* ptr = &aa1;(*ptr)._a1;

这种指针访问行为十分复杂，我们可以重载一个函数使实现这种访问方式：

ptr->_a1;

在迭代器中重载->运算符

T* operator->(){    return &_node->_data;}

这里返回的是_data的地址

我们就可以这样访问：

cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;

实际上它的访问方式如下：

cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;

注意

这里隐藏了一个箭头，一个是重载，一个是原生指针的访问操作

实际上，并不需要在代码中写两次箭头。这是因为在 C++ 中，operator-> 有一个特殊的规则

当重载 operator->，不会直接返回成员的值，而是应该返回一个指针，这个指针指向的对象包含我们想要访问的成员。当使用 ->运算符时，C++ 会自动和透明地调用重载的 operator-> 并继续 “链式” 访问成员，而不需要程序员显示地添加多余的箭头。

这是如何工作的：

如果有一个用户自定义类型的对象（比如迭代器）it，并且我们调用 it->member，编译器会查找这个类型是否有 operator->如果这个类型有一个 operator-> 的重载，编译器就调用 it.operator->()it.operator->() 应该返回一个指向对象的指针，这个对象有一个我们尝试访问的 member 成员编译器取得这个指针，并继续访问 member

这个流程只需要一个 -> 即可。编译器在背后处理了所有操作，直到访问到一个实际对象，然后这个对象的成员可以直接通过 -> 运算符访问

因此，我们不需要手动写成 it->->member；只需写 it->member 即可。编译器会自动将其 “转换” 为 it.operator->()->member

在 ListIterator 示例里，it->_a1 意味着：

调用 it.operator->() 拿到 ListNode 中 _data 成员的地址（这是一个 A 类型的对象）。使用返回的指针来访问 A 对象的 _a1 成员。

整个过程对于编程者来说是透明的，不需要编写多个 ->。这种处理方式使得重载 -> 可以更自然地使用，就像处理普通的指针一样。

const迭代器

我们上面写的迭代器对于const对象是无法编译成功的，const不能调用非const成员函数

对于const类迭代器，我们需要在list类里面重新增加重载：

typedef ConstListIterator<T> const_iterator;const_iterator begin() const{    return _head->_next;}const_iterator end() const{    return _head;}

使普通版本调用普通版本，const调用const版本

这里的const迭代器不能是下面这种形式，而需单独创建版本：

const iterator end() const{    return _head;}

因为const迭代器的本质是迭代器指向的内容不能修改，而不是迭代器本身不能修改

const iterator这样定义是迭代器不能修改，内容还是可以修改的

那我们如何实现const迭代器呢？

方法一：单独实现一个类，修改正常版本的迭代器

template<class T>struct ConstListIterator{    typedef ListNode<T> Node;    typedef ConstListIterator<T> Self;    Node* _node;    ListIterator(Node* node)        :_node(node)    {}    const T* operator->()    {        return &_node->_data;    }    const T& operator*()    {        return _node->_data;    }    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)    {        return _node != it._node;    }};

我们目的是不修改指向的值，只需要在这两个函数前面加上const即可：

const T* operator->(){    return &_node->_data;}const T& operator*(){    return _node->_data;}

我们这两个类只有这两个函数不同，那么能不能将他们两个合并呢？

合并两种迭代器

这里仅是两种返回类型不同，这里我们利用模版来对这里内容进行合并

template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}// *it//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}// it->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;}};

我们只提取不同的部分，其他部分与原来相同

Ref代表引用，Ptr代表指针

让我们来看一下这个合并后的迭代器的模板参数：

T：列表节点存储的数据类型Ref：通过迭代器访问数据时的返回类型，可以是T&或者const T&。Ptr：通过迭代器访问数据的指针类型，可以是T*或者const T*。

这样，我们可以创建一个常量迭代器，为Ref和Ptr参数指定常量类型，例如：

ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

对于非常量迭代器，就简单地传递非常量类型的引用和指针：

ListIterator<T, T&, T*> iterator;

在list类中，我们需要相应地声明两种类型的迭代器：

template<class T>class list {    // ... 省略其他代码 ...public:    typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;    typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;    // ... 省略其他代码 ...};

list类中的其他成员函数像begin、end需要按照是否接收常量类型来适配这两种迭代器。

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