C++：List的使用和模拟实现

小陈在拼命

发布于 2024-03-09 08:54:35

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发布于 2024-03-09 08:54:35

文章被收录于专栏：C/C＋＋、数据结构、算法C/C＋＋、数据结构、算法

一、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) 要注意的是，list开始就不支持下标访问了，所以要访问都要以迭代器为准

void Print(const list<int>& l)
{
	//迭代去区间遍历
	list<int>::const_iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	//范围for遍历
	for (auto e : l)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
}

二、List的使用注意事项

博主觉得跟之前vector的基本上差不了多少，如果不会看文档用库里面的list的可以去看博主只管关于string和vector的使用。

C++：String类的使用-CSDN博客

C++：Vector的使用-CSDN博客

下面直接介绍List使用中的易错点

2.1 List的迭代器失效问题

我们之前学习vector的时候，知道了insert和erase都有可能存在迭代器失效的问题，那list会出现这种情况吗？？下面来进行分析

insert插入新节点的迭代器，因此insert不可能会出现失效的问题。

而earse必然会失效，因为该迭代器对应的节点被删除了。如果我们想继续用的话，就得利用返回值去更新迭代器，返回值是被删除元素的下一个位置的迭代器。

2.2 List中sort的效率测试

我们用一段代码来测试一下list中sort的性能

void test_op()
{
	srand((unsigned int)time(NULL));
	const int N = 1000000;
	vector<int> v;
	v.reserve(N);
	list<int> lt1;
	list<int> lt2;
	for (int i = 0; i < N; ++i)
	{
		int e = rand();
		lt1.push_back(e);
		lt2.push_back(e);
	}
	// 拷贝到vector排序，排完以后再拷贝回来
	int begin1 = clock();
	for (auto e : lt1)
	{
		v.push_back(e);
	}
	sort(v.begin(), v.end());
	size_t i = 0;
	for (auto& e : lt1)
	{
		e = v[i++];
	}
	int end1 = clock();
	//list调用自己的sort
	int begin2 = clock();
	lt2.sort();
	int end2 = clock();
	printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
	printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}

会发现哪怕我先拷贝到vector排完再拷贝回去效率都比list的sort效率高，所以list的sort实际中意义不是很大！！

三、模拟实现的注意事项

还是跟之前模拟实现一样，先看看SGI版本的源码，list本质上是带头双向链表

第一部分链表节点

第二部分迭代器

第三部分、链表

这里我们可以先实现链表节点结构体这里用sturct把权限放开。

//节点的封装
template<class T>
struct list_node
{
	list_node<T>* _prev;
	list_node<T>* _next;
	T _data;

	//节点的构造函数
	list_node(const T& val = T())
		:_prev(nullptr)
		, _next(nullptr)
		, _data(val)
	{}
};

然后封装一个链表，将头结点作为自己的成员变量封装起来

	template<class T>
class list
{
	typedef list_node<T>  node;//typedef可以帮助我们简洁代码
	private:
		node* _head;
	};

下面开始进行我们的重中之重——迭代器

四、正向迭代器的实现

2.1 正向迭代器的封装

在学习Vector的时候，我们发现其实vector的迭代器就是一个原生指针，所以我们将他改了名字

这得益于vector空间连续的特点，所以对指针进行加和减再进行解引用可以访问到我们想要的元素，但是链表可以吗？

虽然看似我们好像用箭头连接起来了，但其实他们空间上是不连续的，那我们对一个节点指针进行加减，就很难说能不能找到下一个节点，更多的是找不到的情况

那我们思考一样，如果我们要搞一个迭代器，我们希望怎么去得到我们的数据呢？？我们希望我们解引用的时候，可以拿到他的data，希望++的时候，可以拿到他的next，--的时候，可以拿到他的prev。那我们怎么去改变原生操作符的行为呢？答案就是运算符重载！所以我们可以将迭代器单独封装成一个类去管理节点，改变运算符的行为！！

我们先进行实现，然后再慢慢分析

	//封装迭代器
	template<class T, class Ref, class Ptr>//Ref用于引用是否const，Ptr用于指针是否const
	struct list_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		typedef list_iterator<T, Ref, Ptr>  self;
		node* _node;

		//迭代器的构造函数
		list_iterator(node* n)//迭代器的构造
			:_node(n)
		{}
		//实现*
		Ref operator*() const
		{
			return _node->_data;
		}
		//实现->
		Ptr operator->() const
		{
			return &operator*();    //本来是两个->,为了增强可读性，我们封装了这个函数 比如当我们存储的结构体解引用后有多个成员，那么我们可以通过箭头的直线去找到对应我们想要的成员	
		}
		//前置++
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		//后置++
		self operator++(int)
		{
			self temp(*this);
			++*this;
			return temp;
		}
		//前置--
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		//后置--
		self operator--(int)
		{
			self temp(*this);
			--*this;
			return temp;
		}
		//！=
		bool operator!=(const self& s) const
		{
			return _node != s._node;
		}
		//==
		bool operator==(const self& s) const
		{
			return _node == s._node;
		}
	};

第一个模版参数是类型，第二个模版参数是引用，第三个模版参数是指针

Ref和Ptr是用来区分正常的迭代器和const修饰的迭代器，Ref是T&或者是const T&,这样可以在某些时候我们去限制data不能被修改。而Ptr是T*或者是const T*，重载箭头的作用是如果我们data存储的是一个自定义类型，这个时候如果直接解引用肯定是不行的，所以我们的箭头可以在解引用的时候先返回data的地址，然后我们就可以通过箭头去访问他不同的成员变量。

下面举个data存的是自定义类型的例子

2.2 迭代器的使用

template<class T>
class list
{
	typedef list_node<T>  node;//typedef可以帮助我们简洁代码
public:
	//正向迭代器
	typedef list_iterator<T, T&, T*>   iterator;
	typedef list_iterator<T, const T&, const T*>   const_iterator;
	//可读可写正向迭代器
	iterator begin()
	{
		return iterator(_head->_next);
	}
	iterator end()
	{
		return iterator(_head);
	}
	//可读不可写正向迭代器
	const_iterator begin() const
	{
		return const_iterator(_head->_next);
	}
	const_iterator end() const
	{
		return const_iterator(_head);
	}
	private:
		node* _head;
	};

这边我们用到了匿名对象。

思考：这里的const迭代器为什么不能直接用const修饰普通迭代器？？

因为typedef碰到const的话，就不是简单的字符串替换实际上你以为的const T* ，在这里变成了T*const ，因为迭代器我们是希望他可以进行++和--的，而我们只是不希望他指向的内容给改变，所以我们的const要修饰的是指针的内容，而不是修饰指针。

五、list相关的成员函数

3.1 构造函数

1、默认构造函数

因为无论如何都要有哨兵节点，所以我们直接封装一个

	void empty_init()
	{
		_head = new node;
		_head->_next = _head;
		_head->_prev = _head;
	}

所以可以这么写

	//默认构造函数
	list()
	{
		empty_init();
	}

2、有参构造函数

//有参构造函数
list(size_t n, const T& val = T())
{
	empty_init();
	for (size_t i = n; i > 0; --i)
		push_back(val);
}

3、迭代器区间构造函数

//迭代器区间构造函数
template <class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	empty_init();
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

4、拷贝构造的传统写法

传统方法就是一个个拷贝过去

//拷贝构造函数传统写法
list(const list<T>& lt)
{
	empty_init();
	for (auto e : lt)
		push_back(e);
}

5、拷贝构造的现代写法+swap

现代写法就是，我先创建一个临时对象让他利用被拷贝对象的迭代器构造出来，然后再交换，窃取革命成功，被利用完后的临时对象会在栈帧结束后被清除（典型的资本家思维）

	//交换函数
	void swap(list<T>& temp)
	{
		std::swap(_head, temp._head);
	}
	//拷贝构造函数的现代写法
	list(const list<T>& lt)
	{
		empty_init();
		list<T> temp(lt.begin(), lt.end());//复用迭代器区间构造，让别人构造好了，我再窃取革命成果
		swap(temp);
	}

3.2 clear和析构函数

list不像vector一样，不能直接用头指针delete，因为空间不连续，所以要一个个节点去delete，所以在这之前，我们可以先实现clear，clear的作用是把链表清空，只剩一个头节点，然我们的析构函数再复用clear，然后再单独delete头节点就行了！！

	//clear 只留一个头节点
	void clear()
	{
		iterator it = begin();
		while (it != end())
			it = erase(it);
	}
	//析构函数
	~list()
	{
		clear();
		delete _head;
		_head = nullptr;
	}

3.3 赋值重载和assign

assign和=的本质上都是，先将原来的空间的内容给清空，换成的内容。只不过区别就是assign可以利用迭代器去控制被替换的范围，也可以自己去换成n个一样的元素。所以我们先实现assign，再实现=

1、assign直接替换

//assign(直接替换)
void assign(size_t n, const T& val)
{
	clear();
	for (size_t i = n; i > 0; --i)
		push_back(val);
}

2、assign迭代器区间替换

	//assign(迭代器区间替换)
	template <class InputIterator>
	void assign(InputIterator first, InputIterator last)
	{
		clear();
		while (first != last)
		{
			push_back(*first);
			++first;
		}
	}

3、assign直接替换重载（防止间接寻址）

思考：我们的本意是将lt2替换成5个2，我们发现我们调的竟然是迭代器区间构造的assign，为什么会这样呢？？？？？

因为重载类型会优先找最匹配的，assign的第一个版本的n是size_t类型，我们传的整数默认是int所以会发生强制类型转化，而第二个版本恰好可以变成两个int，所以他会走迭代器区间版本。所以此时有两个方案，第一个方案是我们要在第一个参数后面加u，但是这不符合我们的使用习惯，所以我们可以采用第二个方案，写个重载版本。

//assign重载版本  防止间接寻址
void assign(int n, const T& val)
{
	clear();
	for (size_t i = n; i > 0; --i)
		push_back(val);
}

4、赋值重载传统写法

直接复用assign

	// 赋值重载的传统写法
	list<T>& operator=(const list<T>& lt)
	{
		assign(lt.begin(), lt.end());
		return *this;
	}

5、赋值重载的现代写法

list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	swap(lt);//利用值传递拷贝的临时对象进行交换
	return *this;
}

3.4 修改相关函数（Modifiers）

1、empty、size

//size
size_t size() const
{
	size_t n = 0;
	for (auto e : *this)
		++n;
	return n;
}
//empty
bool empty() const
{
	return node->next == node;
}

2、insert

我们先实现insert和erase，其他的就可以直接复用了

//insert
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
	node* cur = pos._node;//记录当前节点
	node* prev = cur->_prev;//记录前驱节点
	node* newnode = new node(val);//建立新节点
	//开始改变指向
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	return iterator(newnode);
}

3、erase

//erase
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());//确保不是删除哨兵位置
	node* prev = pos._node->_prev;
	node* next = pos._node->_next;
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	delete pos._node;
	return iterator(next);//利用匿名对象返回
}

4、尾插尾删头插头删

//pushback 尾插
void push_back(const T& val)
{
	insert(end(), val);
}
//pushfront 头插
void push_front(const T& val)
{
	insert(begin(), val);
}
//popback 尾删
void pop_back()
{
	erase(--end());
}
//popfront 头删
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

5、resize

//resize  如果n小于当前容量的大小，则内容将减少到前n个元素 当n大于容器大小时，则在末尾插入任意容量的内容。
void resize(size_t n, const T& val = T())
{
	size_t sz = size();//记录当前的有效元素的个数
	while (n < sz)
	{
		pop_back();
		--sz;
	}
	while (n > sz)
	{
		push_back(val);
		++sz;
	}
}

六、反向迭代器的实现

sgi版本下的反向迭代器，其实就是将构建一个反向迭代器的类将正向迭代器封装起来，这个时候正向迭代器的++就是反向迭代器的--

template<class iterator, class Ref, class Ptr>
struct list_reverse_iterator
{
	typedef list_reverse_iterator<iterator, Ref, Ptr> self;

	//用正向迭代器去构造反向迭代器
	list_reverse_iterator(iterator it)
		:_cur(it)
	{}
	//解引用
	Ref operator*() const
	{
		iterator temp = _cur;
		--temp;
		return *temp;
	}
	//实现->
	Ptr operator->() const
	{
		return &operator*();
	}
	//前置++
	self& operator++()
	{
		--_cur;
		return *this;
	}
	//后置++
	self operator++(int)
	{
		iterator temp(_cur);
		--*this;
		return temp;
	}
	//前置--
	self& operator--()
	{
		++_cur;
		return *this;
	}
	//后置--
	self operator--(int)
	{
		iterator temp(_cur);
		++*this;
		return temp;
	}
	//不等于
	bool operator!=(const self& s)
	{
		return _cur != s._cur;
	}
	//等于
	bool operator==(const self& s)
	{
		return _cur == s._cur;
	}
	iterator _cur;
};

思考：为什么解引用的是前一个位置的元素？？？

通过这个我们来看看vector下的反向迭代器代码：

复用性很高，和list的区别就是因为是随机迭代器，所以多了+和-的接口，第二个就是不需要->,所以其实模版也可少传一个

七、list模拟实现的全部代码

//c++喜欢ListNode驼峰法命名  为了和STL风格一致，我们也用小写
//但是STL版本和java喜欢小写带_  
namespace cyx
{
	//节点的封装
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _prev;
		list_node<T>* _next;
		T _data;

		//节点的构造函数
		list_node(const T& val = T())
			:_prev(nullptr)
			, _next(nullptr)
			, _data(val)
		{}
	};
	//封装迭代器
	template<class T, class Ref, class Ptr>//Ref用于
	struct list_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		typedef list_iterator<T, Ref, Ptr>  self;
		node* _node;

		//迭代器的构造函数
		list_iterator(node* n)//迭代器的构造
			:_node(n)
		{}
		//实现*
		Ref operator*() const
		{
			return _node->_data;
		}
		//实现->
		Ptr operator->() const
		{
			return &operator*();    //本来是两个->,为了增强可读性，我们封装了这个函数 比如当我们存储的结构体解引用后有多个成员，那么我们可以通过箭头的直线去找到对应我们想要的成员	
		}
		//前置++
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		//后置++
		self operator++(int)
		{
			self temp(*this);
			++*this;
			return temp;
		}
		//前置--
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		//后置--
		self operator--(int)
		{
			self temp(*this);
			--*this;
			return temp;
		}
		//！=
		bool operator!=(const self& s) const
		{
			return _node != s._node;
		}
		//==
		bool operator==(const self& s) const
		{
			return _node == s._node;
		}
	};
	template<class iterator, class Ref, class Ptr>
	struct list_reverse_iterator
	{
		typedef list_reverse_iterator<iterator, Ref, Ptr> self;

		//用正向迭代器去构造反向迭代器
		list_reverse_iterator(iterator it)
			:_cur(it)
		{}
		//解引用
		Ref operator*() const
		{
			iterator temp = _cur;
			--temp;
			return *temp;
		}
		//实现->
		Ptr operator->() const
		{
			return &operator*();
		}
		//前置++
		self& operator++()
		{
			--_cur;
			return *this;
		}
		//后置++
		self operator++(int)
		{
			iterator temp(_cur);
			--*this;
			return temp;
		}
		//前置--
		self& operator--()
		{
			++_cur;
			return *this;
		}
		//后置--
		self operator--(int)
		{
			iterator temp(_cur);
			++*this;
			return temp;
		}
		//不等于
		bool operator!=(const self& s)
		{
			return _cur != s._cur;
		}
		//等于
		bool operator==(const self& s)
		{
			return _cur == s._cur;
		}
		iterator _cur;
	};
	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T>  node;//typedef可以帮助我们简洁代码
	public:
		//正向迭代器
		typedef list_iterator<T, T&, T*>   iterator;
		typedef list_iterator<T, const T&, const T*>   const_iterator;
        //typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;不行
		//反向迭代器
		typedef list_reverse_iterator<iterator, T&, T*>    reverse_iterator;
		typedef list_reverse_iterator<iterator, const T&, const T*>  const_reverse_iterator;
		//可读可写正向迭代器
		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}
		//可读不可写正向迭代器
		const_iterator begin() const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}
		const_iterator end() const
		{
			return const_iterator(_head);
		}
        //可读可写的反向迭代器
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}
		//可读不可写的反向迭代器
		const_reverse_iterator rbegin() const
		{
			return const_reverse_iterator(end());
		}
		const_reverse_iterator rend() const
		{
			return const_reverse_iterator(begin());
		}
		//默认构造函数
		list()
		{
			empty_init();
		}
		//有参构造函数
		list(size_t n, const T& val = T())
		{
		    empty_init();
			for (size_t i = n; i > 0; --i)
				push_back(val);
		}
		//迭代器区间构造函数
		template <class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
		     empty_init();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		//拷贝构造函数传统写法
		/*list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			for (auto e : lt)
				push_back(e);
		}*/
		//交换函数
		void swap(list<T>& temp)
		{
			std::swap(_head, temp._head);
		}
		//拷贝构造函数的现代写法
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			list<T> temp(lt.begin(), lt.end());//复用迭代器区间构造，让别人构造好了，我再窃取革命成果
			swap(temp);
		}
		//assign(迭代器区间替换)
		template <class InputIterator>
		void assign(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			clear();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		//assign(直接替换)
		void assign(size_t n, const T& val)
		{
			clear();
			for (size_t i = n; i > 0; --i)
				push_back(val);
		}
		//assign重载版本  防止间接寻址
		void assign(int n, const T& val)
		{
			clear();
			for (size_t i = n; i > 0; --i)
				push_back(val);
		}
		// 赋值重载的传统写法
		list<T>& operator=(const list<T>& lt)
		{
			assign(lt.begin(), lt.end());
			return *this;
		}
		// 赋值重载的现代写法
		//list<T>& operator=(list<T> lt)
		//{
		//	swap(lt);//利用值传递拷贝的临时对象进行交换
		//	return *this;
		//}
		//析构函数
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		//size
		size_t size() const
		{
			size_t n = 0;
			for (auto e : *this)
				++n;
			return n;
		}
		//insert
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			node* cur = pos._node;//记录当前节点
			node* prev = cur->_prev;//记录前驱节点
			node* newnode = new node(val);//建立新节点
			//开始改变指向
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			return iterator(newnode);
		}
		//erase
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());//确保不是删除哨兵位置
			node* prev = pos._node->_prev;
			node* next = pos._node->_next;
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete pos._node;
			return iterator(next);//利用匿名对象返回
		}
		//pushback 尾插
		void push_back(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}
		//pushfront 头插
		void push_front(const T& val)
		{
			insert(begin(), val);
		}
		//popback 尾删
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		//popfront 头删
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		//clear 只留一个头节点
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
				it = erase(it);
		}
		//resize  如果n小于当前容量的大小，则内容将减少到前n个元素 当n大于容器大小时，则在末尾插入任意容量的内容。
		void resize(size_t n, const T& val = T())
		{
			size_t sz = size();//记录当前的有效元素的个数
			while (n < sz)
			{
				pop_back();
				--sz;
			}
			while (n > sz)
			{
				push_back(val);
				++sz;
			}
		}
		//empty
		bool empty() const
		{
			return node->next == node;
		}
	private:
		node* _head;
		//用来初始化  类内部自己用，设私有
		void empty_init()
		{
			_head = new node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
	};

接口暂时就搞这些，如果后面有时间再写些比较复杂的接口，这一篇不太好理解，讲解不到位还请见谅

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