C++中list的使用与模拟实现
作者：莓关系
list相较于vector来说会显得复杂,它的好处是在任意位置插入,删除都是一个O(1)的时间复杂度,下面这篇文章主要给大家介绍了关于C++中list的使用与模拟实现的相关资料,需要的朋友可以参考下
一、list的介绍以及使用
1.1 list的介绍
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（所谓的常熟范围内，就是时间复杂度为O(1)）
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)
这一段关于list的特性，需要能够与vector对比理解。
1.2 list的使用
1.2.1 list的构造
| 构造函数（ (constructor)） | 接口说明 |
| list() | 构造空的list |
| 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 (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 |
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main()
{
std::list<int> l1; // 构造空的l1
std::list<int> l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素
std::list<int> l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3
std::list<int> l4(l3); // 用l3拷贝构造l4
// 以数组为迭代器区间构造l5
int array[] = { 16,2,77,29 };
std::list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
// 用迭代器方式打印l5中的元素
for (std::list<int>::iterator it = l5.begin(); it != l5.end(); it++)
std::cout << *it << " ";
std::cout << endl;
// C++11范围for的方式遍历
for (auto& e : l5)
{
std::cout << e << " ";
}
std::cout << endl;
return 0;
}
1.2.2 list iterator的使用
| 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：
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
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
void print_list(const list<int>& l)
{
// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象
for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
// *it = 10; 编译不通过
}
cout << endl;
}
int main()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 使用正向迭代器正向list中的元素
for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
for (list<int>::reverse_iterator it = l.rbegin(); it != l.rend(); ++it)
{
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
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 |
这里就不用代码的形式展示了
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
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
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
2.1 模拟实现list
这是本章的重中之重。
#include <iostream>
#include <assert.h>
using std::cout;
using std::endl;
namespace zjx
{
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
:_pPre(nullptr),
_pNext(nullptr),
_val(val)
{
}
ListNode<T>* _pPre;
ListNode<T>* _pNext;
T _val;
};
//List的迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T>* PNode;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
public:
ListIterator(PNode pNode = nullptr)
{
_pNode = pNode;
}
//ListIterator(const Self& l);
Ref operator*()
{
return _pNode->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &_pNode->_val;
}
Self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_pNext;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self tmp(*this);
_pNode = _pNode->_pNext;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
_pNode = _pNode->_pPre;
return *this;
}
Self& operator--(int)
{
Self tmp(*this);
_pNode = _pNode->_pPre;
return tmp;
}
bool operator!=(const Self& l)
{
return _pNode != l._pNode;
}
bool operator==(const Self& l)
{
return _pNode == l._pNode;
}
public:
PNode _pNode;
};
//list类
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef Node* PNode;
public:
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
public:
// List的构造
list()
{
_pHead = new Node();
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
}
//构造函数
list(int n, const T& value = T())
{
_pHead = new Node();
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
for (int i = 0; i < n; i++)
{
push_back(value);
}
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
_pHead = new Node();
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
//拷贝构造函数
list(const list<T>& l)
{
//用迭代器先构造出来一个
list tmp(l.begin(), l.end());
_pHead = new Node();
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
std::swap(_pHead, tmp._pHead);
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
std::swap(_pHead, l._pHead);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _pHead;
_pHead = nullptr;
}
//List Iterator
iterator begin()
{
return iterator(_pHead->_pNext);
}
iterator end()
{
return iterator(_pHead);
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_pHead->_pNext);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_pHead);
}
// List Capacity
size_t size()const//这个函数右边的const是用来限定this指针的。原本的this指针，不可以改变指向，可以改变所知的内容。
//但若要对所指向的内容加以限定的话，那就在函数的右边加上const，表示此函数的隐藏的参数，也就是this指针，被加以const限定。
{
size_t count = 0;
const_iterator cur = begin();
while (cur != end())
{
count++;
cur++;
}
return count;
}
//list为空返回1，否则返回0
bool empty()const
{
return size() == 0;
}
// List Access
T& front()
{
return begin()._pNode->_val;
}
const T& front()const
{
return begin()._pNode->_val;
}
T& back()
{
return _pHead->_pPre->_val;
}
const T& back()const
{
return _pHead->_pPre->_val;
}
// List Modify
//void push_back(const T& val)
//{
// insert(begin(), val);
//}
void push_back(const T& val)
{
Node* tail = _pHead->_pPre;
Node* newnode = new Node(val);
tail->_pNext = newnode;
newnode->_pPre = tail;
newnode->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = newnode;
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
PNode next = pos._pNode;
PNode prev = next->_pPre;
PNode newnode = new Node(val);
newnode->_pNext = next;
newnode->_pPre = prev;
prev->_pNext = newnode;
next->_pPre = newnode;
return iterator(newnode);
}
删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
PNode next = pos._pNode->_pNext;
PNode prev = pos._pNode->_pPre;
delete pos._pNode;
prev->_pNext = next;
next->_pPre = prev;
return iterator(next);
}
void clear()
{
iterator cur = begin();
while (cur != end())
{
erase(cur++);
}
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
}
//void swap(list<T>& l);
private:
void CreateHead()
{
_pHead = new Node();
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
}
PNode _pHead;
};
};
class Date
{
private:
int _year;
int _month;
int _day;
public:
Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)
:_year(year),
_month(month),
_day(day)
{
}
void print()
{
std::cout << _year << " " << _month << " " << _day << std::endl;
}
};
int main()
{
using namespace zjx;
list<Date> it;
it.push_back(Date(2022, 5, 16));
it.push_back(Date(2022, 5, 17));
it.push_back(Date(2022, 5, 18));
it.push_back(Date(2022, 5, 19));
it.push_back(Date(2022, 5, 20));
for (auto e : it)
{
e.print();
}
cout << endl;
list<int> a1(5, 2);
for (auto e : a1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
list<Date> a2(it);
for (auto e : a2)
{
e.print();
}
cout << endl;
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
list<int> a3(arr, arr + 9);
for (auto e : a3)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
a1 = a3;
for (auto e : a1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "a3的元素的个数 = " << a3.size() << endl;
list<int> a4;
cout << a4.empty() << endl;
const auto ans1 = a3.front();
auto ans2 = a3.back();
cout << "ans1 = " << ans1 << " " << "ans2 = " << ans2 << endl;
a3.push_front(30);
a3.pop_back();
a3.pop_front();
a3.pop_front();
for (auto e : a3)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}函数右边的const是用来限定this指针的。原本的this指针，不可以改变指向，可以改变所知的内容。
但若要对所指向的内容加以限定的话，那就在函数的右边加上const，表示此函数的隐藏的参数，也就是this指针，被加以const限定。
vector缺陷:
连续的物理空间，是优势，也是劣势。优势:支持高效随机访问。
劣势:
1、空间不够要增容，增容代价比较大。
2、可能存在一定空间浪费。按需申请，会导致频繁增容，所以一般都会2倍左右扩容。
3、头部或者中部插入删除需要挪动数据，效率低下list很好的解决vector的以上问题:
1、按需申请释放空间。
2、list任意位置支持O(1)插入删除。
const对象会自动找到const修饰的函数
总结
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