【C++】——list的介绍及使用 && 模拟实现

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文章目录

前言

一、list的介绍及使用

1.1 list的介绍

1.2 list的使用

1.2.1 list的构造

1.2.2 list iterator的使用

1.2.3 list capacity

1.2.4 list element access

1.2.5 list modifiers

1.2.6 list的迭代器失效

二、 list的模拟实现

​编辑

三、 list与vector的对比

总结

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前言

世上有两种耀眼的光芒，一种是正在升起的太阳，一种是正在努力学习编程的你!一个爱学编程的人。各位看官，我衷心的希望这篇博客能对你们有所帮助，同时也希望各位看官能对我的文章给与点评，希望我们能够携手共同促进进步，在编程的道路上越走越远！

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list的文档介绍

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)

1.2 list的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口。

1.2.1 list的构造

构造函数（constructor）	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的构造使用代码演示

1.2.2 list iterator的使用

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。

函数声明	接口说明
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】

begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动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

1.2.3 list capacity

函数声明	接口说明
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

1.2.4 list element access

函数声明	接口说明
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

1.2.5 list modifiers

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

list的插入和删除使用代码的演示

list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

1.2.6 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。

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;}}// 改正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);}}

二、 list的模拟实现

Test.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>#include<vector>#include<list>#include<algorithm>using namespace std;void test_op1(){srand(time(0));const int N = 1000000;list<int> lt1;list<int> lt2;vector<int> v;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;lt1.push_back(e);v.push_back(e);}int begin1 = clock();// vector用算法排序sort(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();// list用自己的排序方法lt1.sort();int end2 = clock();printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);}void test_op2(){srand(time(0));const int N = 1000000;list<int> lt1;list<int> lt2;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand();lt1.push_back(e);lt2.push_back(e);}int begin1 = clock();// vectorvector<int> v(lt2.begin(), lt2.end());// 用迭代器区间进行初始化，相当于数据拷贝给vector// 让vector来排序sort(v.begin(), v.end());// lt2 再将数据拷贝回给listlt2.assign(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();lt1.sort();// 直接排序int end2 = clock();printf("list copy vector sort copy list sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);}////int main()//{//test_op2();////return 0;//}#include"list.h"int main(){bit::test_list3();return 0;}

list.h

#pragma once#include<assert.h>// 原生指针是天然的迭代器，前提是物理空间是连续的namespace bit{template<class T>struct ListNode{// 数据全部是公有的话，可以用structListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}};// typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;// typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;// 期望：通过原生指针(Node*)来遍历链表，但是每个节点在物理空间上的地址不连续，没办法遍历；// 而且解引用也拿不到节点对象中对应的数据。// 原生指针(节点的指针)不满足我们的预期，所以我们用类将原生指针封装一下，自定义类型可以重载运算符，就可以掌控它的行为template<class T, class Ref, class Ptr>// Ref:Reference(引用)   Ptr:pointer(指针)struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;// 指针都是内置类型ListIterator(Node* node):_node(node){}// *it//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}// it->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;// 返回的是结构体A的地址}// ++itSelf& 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;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};//template<class T>//struct ListConstIterator//{//typedef ListNode<T> Node;//typedef ListConstIterator<T> Self;//Node* _node;//ListConstIterator(Node* node)//:_node(node)//{}//// *it//const T& operator*()//{//return _node->_data;//}//// it->//const T* operator->()//{//return &_node->_data;//}//// ++it//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;//}//bool operator==(const Self& it)//{//return _node == it._node;//}//};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public://typedef ListIterator<T> iterator;// 将迭代器的类型重命名为iterator，不管迭代器是什么类型，都不重要了 // const的迭代器怎么搞呢？// 1、单独搞一个const迭代器的类模板；2、一个普通迭代器，一个const的迭代器，有点冗余了，可以用一个模板参数来控制//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;// 方法一：//iterator begin()//{////return iterator(_head->_next);// return后面的代码就是一个匿名对象//iterator it(_head->_next);// iterator的构造函数(有名对象)//return it;//}// 方法二：单参数的构造函数具有隐式类型转换// 普通的迭代器会被修改iterator begin(){return _head->_next;}iterator end(){return _head;}// const迭代器，需要是迭代器(返回的是指针)不能修改，还是迭代器指向的内容？// 迭代器指向的内容不能修改！const iterator不是我们需要const迭代器，const修饰的是iterator(一个自定义类型)// T* const p1// const T* p2const_iterator begin() const{return _head->_next;}// 为什么const_iterator要加中间的下划线呢？因为const iterator是使迭代器不能被修改，不是我们需要的const迭代器。// 所以const的迭代器并不是在普通迭代器前面加上一个const，而是创建了一个新的const_iterator类型。const_iterator end() const{return _head;}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}// 无参的构造函数list(){empty_init();}// lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();// 先搞一个哨兵位的头节点，自己指向自己// 这里的e前面要加引用，因为T有可能是string类型，如果是string类型的话，不加引用，又是浅拷贝for (auto& e : lt){push_back(e);}}// 需要析构，一般就需要自己写深拷贝// 不需要析构，一般就不需要自己写深拷贝，默认浅拷贝就可以void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}// lt1 = lt3list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}// 清掉所有数据，但是没有清掉头节点的数据void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}/*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;}*/void push_back(const T& x){insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;// prev newnode cur;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;}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);}size_t size() const{return _size;}bool empty(){return _size == 0;}private:Node* _head;size_t _size;};void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);// 不同的容器，它们内部的迭代器的类型都是不同的list<int>::iterator it = lt.begin();// 内嵌类型：1、类部类；2、typedef// iterator这个类型属于list<int>这个类域while (it != lt.end()){*it += 10;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;lt.push_front(10);lt.push_front(20);lt.push_front(30);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_back();lt.pop_front();lt.pop_front();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}struct A{int _a1;int _a2;A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}};void test_list2(){list<A> lt;A aa1(1, 1);A aa2 = { 1, 1 };// 多参数的构造函数也可以支持隐式类型转换lt.push_back(aa1);lt.push_back(aa2);lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back({ 3, 3 });// 隐式类型转换lt.push_back({ 4, 4 });A* ptr = &aa1;(*ptr)._a1;ptr->_a1;list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//*it += 10;// cout << *it << " ";// 流插入不支持自定义类型，如果想要流插入支持自定义类型：// 1、自己写一个流插入的运算符重载；2、数据是共有的// *it是调用operator*()函数，返回的是A的对象//cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;++it;}cout << endl;}void PrintList(const list<int>& clt){list<int>::const_iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){//*it += 10;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list3(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);PrintList(lt);list<int> lt1(lt);PrintList(lt1);}}

三、 list与vector的对比

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：

	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链表
随 机 访 问	支持随机访问，访问某个元素效率O(1)	不支持随机访问，访问某个元素 效率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，因为插入元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，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

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总结

好了，本篇博客到这里就结束了，如果有更好的观点，请及时留言，我会认真观看并学习。
不积硅步，无以至千里；不积小流，无以成江海。

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