C++之list容器的解析与实现教程
作者：如意.759
1、list 介绍
List是C++标准模板库(STL)中的一个成员，其本质为带头双向循环链表。不同于连续的、紧密排列的数组容器Vector，List容器的内部是由双向链表构成的，使得它在插入和删除操作上，就如同行云流水一般顺畅，不需移动其它元素。
List的结构示意图如下：环状链表的尾是一个空节点，符合“左闭右开”区间。
List适合的场景是那些需要频繁进行插入和删除操作的场合。
例如，如果你正在管理一个动态变化的列表，如任务调度、人员排队等场景，List的特性将大放异彩。但是如果你的应用场景更多地需要随机访问元素，那么Vector或者数组可能是更佳的选择。因为List的顺序访问性能相比之下会显得有些力不从心。
- 所以如果需要频繁随机的访问数据，那么选择vector容器
- 如果需要频繁插入删除数据，那么选择list容器
- 排序不要选择list ！！！可以先拷贝给vector排序后再拷贝回来
迭代器的介绍
迭代器可以按照功能、性质两大模块分类
迭代器的一些性质（重载的运算符）决定着算法库里对算法的调用
而这些迭代器是子类与父类的继承关系
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。
2.1 list 的构造
void TestList1()
{
list<int> l1; // 构造空的l1
list<int> l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素
list<int> l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3
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 };
list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
// 列表格式初始化C++11
list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };
list<int> l7 = { 1,2,4,5,6,7,8 };
// 用迭代器方式打印l5中的元素
list<int>::iterator it = l5.begin();
while (it != l5.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// C++11范围for的方式遍历
for (auto& e : l5)
cout << e << " ";
cout << endl;
}2.2 iterator 的使用
关于 list 的迭代器可以姑且理解为指针，本质是通过运算符重载模拟指针的行为
【TIP】
- 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
void PrintList(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;
}
void TestList2()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, };
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 使用正向迭代器正向list中的元素
// list<int>::iterator it = l.begin(); // C++98中语法
auto it = l.begin(); // C++11之后推荐写法
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();
auto rit = l.rbegin();
while (rit != l.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
//迭代器不支持 因为 list 迭代器是双向 不支持 + -
/*l.insert(l.begin() + 3);*/
//想要实现第三个位置后插入一个数可以通过下面代码
it = l.begin();
int k = 3;
while (k--)
{
it++;//支持++
}
l.insert(it, 40);
PrintList(l);
}2.3 list 的修改
struct A {
public:
A(int a1 = 1, int a2 = 1)
:_a1(a1)
, _a2(a2)
{
cout << "A(int a1=1,int a2=1)" << endl;
}
A(const A& aa)
:_a1(aa._a1)
, _a2(aa._a2)
{
cout << "A(const A& aa)" << endl;
}
private:
int _a1;
int _a2;
};
void TestList3()
{
int array[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 在list的尾部插入4，头部插入0
L.push_back(4);
L.push_front(0);
PrintList(L);
// 删除list尾部节点和头部节点
L.pop_back();
L.pop_front();
PrintList(L);
list<A>lt;
A aa1(1, 1);
lt.push_back(aa1);//有名对象尾插
lt.push_back(A(2, 2));//匿名对象尾插
//lt.push_back(3, 3);//不支持 push back只支持一个参数
lt.emplace_back(aa1);
lt.emplace_back(A(2, 2));
cout << endl;
// 前面的插入都是 构造+拷贝构造
// (3,3)的插入 并没有拷贝构造 性能上来说优于 push back
lt.emplace_back(3, 3);//支持 本质支持直接传构造A对象的参数
}可以看到 emplace_back 可以支持直接传构造A的参数 省去了临时变量的拷贝构造
插入与删除
// insert /erase
void TestList4()
{
int array1[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
// 获取链表中第二个节点
auto pos = ++L.begin(); //pos 可以理解为下标
cout << *pos << endl;
// 在pos前插入值为4的元素
L.insert(pos, 4);
PrintList(L);
// 在pos前插入6个值为5的元素
L.insert(pos, 6, 5);
PrintList(L);
// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
vector<int> v{ 7, 8, 9 };
L.insert(pos, v.begin(), v.end());
PrintList(L);
// 删除pos位置上的元素
L.erase(pos);
PrintList(L);
// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
L.erase(L.begin(), L.end());
PrintList(L);
}
// resize/swap/clear
void TestList5()
{
// 用数组来构造list
int array1[] = { 1, 2, 3 };
list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
PrintList(l1);
// 交换l1和l2中的元素
list<int> l2;
l1.swap(l2);
PrintList(l1);
PrintList(l2);
// 将l2中的元素清空
l2.clear();
cout << l2.size() << endl;
}2.4一些特殊接口
reverse 逆置链表 sort 排序 （算法库里没有list的排序（迭代器不匹配））
void test_list4()//容器的 逆置与排序
{
list<int>lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
print_list(lt);
lt.reverse();
print_list(lt);
reverse(lt.begin(), lt.end());
print_list(lt);
reverse(++lt.begin(), --lt.end());
print_list(lt);
//算法库里的排序和容器的排序都是默认升序
lt.sort();
print_list(lt);
//想要降序 则需要 仿函数
//less<int>ls;//升序
//greater<int>gt;//降序
//还可以结合匿名对象使用
lt.sort(greater<int>());
print_list(lt);
}merge 合并 与 unique 去重（前提均有序链表）
void test_list5() // merge有序list合并 unique 有序list去除重复数据
{
std::list<double> first, second;
first.push_back(3.1);
first.push_back(2.2);
first.push_back(2.9);
second.push_back(3.7);
second.push_back(7.1);
second.push_back(1.4);
first.sort();
second.sort();
//将 second和first合并 second置为空 前提两list有序
first.merge(second);
print_list(first);
print_list(second);
list<int>lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(1);
lt.push_back(1);
print_list(lt);
lt.sort();
//有序的数据去掉重复的数据
lt.unique();
print_list(lt);
}
剪切拼接 splice 的妙用
void test_list6()
{
//把一个链表结点转移给另一个链表
std::list<int> mylist1, mylist2;
std::list<int>::iterator it;
// set some initial values:
for (int i = 1; i <= 4; ++i)
mylist1.push_back(i); // mylist1: 1 2 3 4
for (int i = 1; i <= 3; ++i)
mylist2.push_back(i * 10); // mylist2: 10 20 30
it = mylist1.begin();
++it; // points to 2
mylist1.splice(it, mylist2); // mylist1: 1 10 20 30 2 3 4
// mylist2 (empty)
// "it" still points to 2 (the 5th element)
print_list(mylist1);
print_list(mylist2);// splice 剪切功能
//splice 还可以调整当前list的顺序
list<int>lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
print_list(lt);
int x = 0;
cin >> x;
it = find(lt.begin(), lt.end(), x);
if (it != lt.end())
{
// 调整当前链表的元素顺序 将 it指向元素 调整到 begin
lt.splice(lt.begin(), lt, it);
// //迭代器区间
//lt.splice(lt.begin(), lt, it,lt.end());
}
print_list(lt);
}
2.5 迭代器失效问题
前面说过，此处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。
这在 vector 是不成立的，因为 vector 的插入操作有元素移动可能导致重新配置空间，导致原有的迭代器全部失效。
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;
}
}- VS2022 对于迭代器失效有着严格的监控机制直接报错
// 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); erase 返回下一个位置的迭代器
}
}- 这里的 erase 会返回下一个结点的位置
对于 erase(it++); 可以理解为 先it++了再执行erase 代码块里的内容
3、实现list
list 容器的底层是一个带头双向循环链表
- 双向链表的意思是：每个节点不仅存储着数据，还包含两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。这使得 list 可以在常数时间内进行双向遍历和插入、删除操作。
库里的节点结构大致如下：
头节点和尾节点会分别指向 nullptr ，这表明链表的边界。
这种双向链表的结构给予了 list 灵动的特性：它能够轻松地在任意位置增加或移除元素，而这种操作几乎是与容器大小无关的，体现了时间复杂度上的优势。但这种优势的代价是，与数组相比，List在访问元素时的速度会较慢，因为它需要从头开始遍历。这也决定了list的更适合频繁插入的动态数据。
3.1底层结构
根据对链表的理解，我们需要封装一个结点类，为了兼容迭代器的使用，我们需要对结点指针封装一下即迭代器，最后就是实现功能函数的list 类了，我们可以加入一个头结点方便插入删除和兼容容器的左闭右开。
结点类
// 结点结构体
template<class T>
struct list_node //默认公有 struct
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& data=T())
:_data(data)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
~list_node()
{
_next = nullptr;
_prev = nullptr;
}
};结点类的结构还是很简单的 结构体里包含着数据和前后指针即可，因为要多次访问结点所以设置为 struct 较合适
list类
构造函数需要创建一个头结点，因为我们要创建双向循环链表，所以头尾都要指向头结点本身。 _size统计元素个数。
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
void empty_init()
{
//_head = new Node;//这里写了 Node 带参数构造 所以报错 需要匿名参数
_head = new Node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list()
{
empty_init();
}
list(initializer_list<T>il)
{
empty_init();
for (auto& e : il)
{
push_back(e);
}
_size = il.size();
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};这里的 list(initializer_list<T>il) 是C++11出现的语法，就可以像数组一样进行初始化了
迭代器类
list的迭代器显然不是指针！！ 链表的物理地址并不是连续存储的，指针的++ -- 操作是没有意义的，所以我们需要实现一个用结点指针封装的迭代器类，通过运算符重载去模拟指针的行为
可以看到库里所实现的迭代器类与我们所预想的一致！
如何实现++ 到下一个结点呢？？
通过 重载 ++运算符 获取地址返回下一个结点即可
迭代器实现：
由于STL list是一个双向链表，迭代器必须具备迁移，后移的能力，所以 list 提供的是 Birdirectional Iterator（双向）
List 的迭代器
迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：
1. 原生态指针，比如：vector
2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
（1）指针可以解引用，迭代器的类中必须重载 operator*()
（2）指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载 oprator->()
（3）指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载 operator++() 与 operator++(int)
至于 operator--() / operator--(int) 是否需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前移动，所以需要重载，如果是forward_list（单向）就不需要重载--
（4）迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载 operator==() 与 operator!=()
template<class T>
struct list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef list_iterator<T> Self;
Node* _node;//指针成员变量
list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
T* operator->()
{
return &(_node->_data);
}
//操作符重载 前置++ 与 后置++的区别是参数是否带（int）
// ++it
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
// it++
Self& operator++(int x)
{
Self tmp(*this);//浅拷贝
_node = _node->_next;
return tmp;
}
//--it
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//it--
Self& operator--(int x)
{
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
bool operator!=(const Self& s)const { return _node != s._node; }
bool operator==(const Self& s)const { return _node == s._node; }
};有必要注意的是 重载 -> 是为了适配T为自定义类型的情况
list<AA>lta;
lta.push_back(AA());
lta.push_back(AA());
lta.push_back(AA());
lta.push_back(AA());
auto ita = lta.begin();
while (ita != lta.end())
{
//cout << *ita << ' '; //编译不通过 结构体并没有重载流插入
//cout << (*ita)._a1 << ' ';
//cout << ita->_a1 << ' '; //为了可读性省去了一个箭头
cout << ita.operator->()->_a1 << ' ';
++ita;
}调用了 operator ->后 AA* 结构体指针再用->调用了_a1
这样迭代器大致实现了应该有的功能，我们还需要实现一个const 迭代器，如何封装const 迭代器呢？不能修改内容，只需要重载的 * 和 -> 返回类型加上const 修饰即可
但是注意到其他重载的运算符都是一样的，如果重新定义一个const 迭代器是否过于冗余呢？
观察一下STL库里是如何实现的
显然并不是冗余的复制一份迭代器，而是同一个类模板实现的，实例化两个不同的类，本质上与冗余的写法是一个道理
那么我们开始优化一下迭代器
将类模板修改一下
//reference 引用 pointer 指针 template<class T , class Ref ,class Ptr>
有差异的返回值也改变一下
Ref operator*() //现在返回const类型还是普通类型是通过编译器推导的
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &(_node->_data);
}那么类实例化的时候传入对应参数编译器就会推导出对应的类：
typedef list_iterator<T,T&,T*> iterator; typedef list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
测试一下
那么就实现成功迭代器类模板
3.2功能接口
迭代器接口
iterator begin()//第一个结点指针
{
//iterator it(_head->_next);//构造函数
//return it; 优化一下
return _head->_next; //走的隐式类型转换
}
// const 修饰begin 可以兼容拷贝构造 否则出现权限放大 这是不允许的
const_iterator begin()const //前面的const 迭代器是指向元素或引用不可以改变内容 后面的const是修饰this 对象不可以改变
{ // 隐含的this指针由 list * const this 变为 const list* const this 前者是指针不可以更改指向
return _head->_next;
}
const_iterator cbegin()const
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head; // 头节点 左闭右开
}
const_iterator end()const
{
return _head;
}
const_iterator cend()const
{
return _head;
}const 修饰begin 是为了防止权限放大的错误出现
因为拷贝构造中参数是 const 对象
插入删除
由于双向循环，插入删除相对比较简单，就是注意链接的顺序性即可
void push_back(const T& x)
{
//Node* newnode = new Node(x); //没有写Node 构造报错
//_head->_prev->_next = newnode;
//newnode->_next = _head;
//newnode->_prev = _head->_prev;
//_head->_prev = newnode;
//++_size;
insert(end(), x);//复用 insert
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
// prev newnode cur
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
++_size;
return newnode;
}实现了 insert 我们可以根据迭代器复用 insert 实现尾插和头插
TIp：新节点将位于插入点的前一个位置这是STL对于“插入操作”的标准规范。
删除操作，与 insert 一样使用指针操作，来达到删除的效果。注意要对删除的节点进行释放空间操作（delete），不然会发生内存泄漏！！！
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
iterator erase(iterator pos) //防止迭代器失效问题
{
assert(pos != end());//不可以删除头结点
Node* prev = pos._node->_prev;;
Node* next = pos._node->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node;
--_size;
return next;
}
需要注意的是，任意位置删除因为使用了迭代器，删除后会造成迭代器失效，所以需要更新迭代器，返回被删除节点的下一个节点的迭代器即可。
拷贝赋值析构函数
//lt1(lt)
list( const list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
//lt1=lt3
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
auto it = begin();
while (it!=end())
{
//erase(it++);//可以这样写 可以理解为 先进行了 it++后再 执行 erase 代码块里的内容
it=erase(it);
}
_size = 0;
}拷贝构造我们只需要范围 for 遍历依次尾插即可，这里空初始化是为了创捷头结点，赋值重载只需要交换头节点就可以
4、list与vector 区别对比
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：
总结
以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。