一、list的介绍及使用
1.1 list的介绍
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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。
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list 的底层是双向链表结构，双向链表中的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的前一个元素和后一个元素。
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list 和 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。
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与其它的序列式容器相比（arry、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。
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与其它序列式容器相比，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 5 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，已保存每个节点的相关联信息。
1.2 list的使用
list 学习时一定要学会查看文档：list的文档介绍，list 在实际中非常重要，在实际中我们熟悉常用的接口就可以，下面列出了需要我们重点掌握的接口。
1.2.1 list的构造
| 构造函数 | 接口说明 |
|---|---|
| list() | list 的默认构造，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 |
小Tips：size_type 表示一个无符号整数类型，value_type 是 list 的第一个模板参数，也就是要存储的数据类型。使用迭代器区间的构造函数是函数模板，只要是满足 Input 类型的迭代器都可以使用该构造函数。
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 };
// 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;
}
1.2.2 list iterator的使用
此处，大家可暂时将迭代器理解成一个像指针一样的东西，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 |
| rebegin() + ren() | 返回第一个元素的 reverse_iterator，即 end 位置，返回最后一个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 与 rend 为反向迭代器，对迭代器执行 ++ 操作，迭代器向前移动。由于 list 的底层物理空间并不连续，所以 list 的迭代器不再是原生指针，并且 list 的迭代器没有对 + 和 - 进行重载，只重载了 ++ 和 – ，因为空间不连续，重载 + 会比较复杂。即 l.begin() + 5 是不被允许的。
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, 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
// 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;
}
注意：遍历链表只能使用迭代器和范围 for。
1.2.3 list capacity（容量相关）
| 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 中有效节点个数 |
1.2.4 list element access（元素访问）
| 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（链表修改）
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| push_front | 在 list 的第一个节点前插入值为 val 的节点 |
| pop_front | 删除 list 中第一个节点 |
| push_back | 在 list 尾部插入一个值为 val 的节点 |
| pop_back | 删除 list 中最后一个节点 |
| insert | 在 list 的 position 位置中插入一个值为 val 的节点 |
| erase | 删除 list position 位置的节点 |
| swap | 交换两个 list 的节点 |
| clear | 清空 list 中的有效元素 |
小Tips：insert 插入元素并不会导致迭代器失效，例如：相较于 vector 中的 insert，list 中的 insert 并不会去扩容挪动数据，而 vector 中的 insert 可能会进行扩容挪动数据，最终导致迭代器失效。list 中的删除元素接口会导致迭代器失效，失效的只有指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。
1.2.6 list operation（对链表的一些操作）
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| reverse | 对链表进行逆置 |
| sort | 对链表中的元素进行排序（稳定排序） |
| merge | 对两个有序的链表进行归并，得到一个有序的链表 |
| unique | 对链表中的元素去重 |
| remove | 删除具有特定值的节点 |
| splice | 将 A 链表中的节点转移到 B 链表 |
小Tips：链表逆置可以使用 list 自身的接口，也可以使用算法库中的 reverse，二者没有什么区别。链表排序只能使用 list 自身的 sort() 接口（底层是利用归并排序），不能使用算法库的 sort，因为算法库中的 sort 底层是通过快排来实现的，而快排中会涉及到三数取中需要迭代器 - 迭代器，链表不能很好的支持。虽然链表提供了排序接口，但是用链表对数据排序意义不大，效率太低了，更希望用 vector 来对数据进行排序。
void TestSort()
{
srand(time(0));
const int N = 5000000;
vector<int> v;
list<int> l;
v.reserve(N);//提前开好空间
for (int i = 0; i < N; i++)
{
auto e = rand();
v.push_back(e);
l.push_back(e);
}
//开始比较vector 和 list 的排序
int begin1 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
l.sort();
int end2 = clock();
printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}
扩展：可以从功能角度对迭代器分为以下 3 类：
| 迭代器类型 | 功能 |
|---|---|
| 单向（InputIterator） | 支持 ++ |
| 双向（BidirectionalItreator） | 支持 ++/- - |
| 随机（RandomAccessIterator） | 支持 ++ / - - / + / - |
其中 forward_list、unordered_xxx 都是单向迭代器；list、map、set 都是双向迭代器；vector、string、deque 都是随机迭代器。对迭代器的这种分类方式，是由容器的底层结构来决定的。
二、list的模拟实现
2.1 list的节点
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
T _val;
ListNode(const T& val = T())
{
_next = nullptr;
_prev = nullptr;
_val = val;
}
};
2.2 list的成员变量
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
//一些成员函数
private:
Node* _head;
}
小Tips：typedef 会受到访问限定符的限制，这里没写默认是 private，意味着 Node 这个类型只能在 list 这个类里面使用。链表本质上是一种数据结构，我们只需要维护好一个链表的头节点即可，所以 list 的成员变量就只有一个头节点的指针。
2.3 list的迭代器
list 的迭代器不能再使用原生指针，如果 list 的迭代器使用原生指针的话，那对迭代器解引用得到的是一个节点，而我们希望对迭代器解引用可以得到节点里面存储的元素，并且 list 在底层的物理空间并不连续，如果使用原生指针作为 list 的迭代器，那对迭代器执行 ++ 操作，并不会让迭代器指向下一个节点。因此我们需要对 list 的迭代器进行封装，然后将一些运算符进行重载，以实现迭代器本该有的效果。
2.3.1 普通迭代器
template<class T>
struct _list_iterator
{
typedef ListNode<T> Node;
Node* _node;
_list_iterator(Node* val)
{
_node = val;
}
T& operator* ()
{
return _node->_val;
}
T* operator-> ()//迭代器通过->应该指向节点中的元素，因此返回的是一个T类型的地址
{
return &(_node->_val);
}
bool operator!= (const _list_iterator<T>& right)
{
return _node != right._node;
}
_list_iterator<T> operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
_list_iterator<T> operator++(int)
{
_list_iterator<T> tmp(this->_node);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
};
小Tips：这里的类名不能直接叫 iterator，因为每种容器的迭代器底层实现可能都有所不同，即可能会为每一种容器都单独实现一个迭代器类，如果都直接使用 iterator，会导致命名冲突。其次，迭代器类不需要我们自己写析构函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数，直接使用默认生成的就可以，言外之意就是这里使用浅拷贝即可，因为迭代器只是一种工具，它不需要对资源进行释放清理，资源释放清理工作是在容器类中实现的，浅拷贝的问题就出在会对同一块空间释放两次，而迭代器无需对空间进行释放，所以浅拷贝是满足我们需求的。
2.3.2 const 迭代器
上面我们实现了普通迭代器，那 const 迭代器该如何实现呢？直接在容器类里面写上一句 typedef const _list_iterator<T> const_iterator 可以嘛？答案是不可以，const 迭代器本质是限制迭代器指向的内容不能修改，而 const 迭代器自身可以修改，它可以指向其他节点。前面这种写法，const 限制的就是迭代器本身，会让迭代器无法实现 ++ 等操作。那如何控制迭代指向的内容不能修改呢？可以通过控制 operator* 的返回值来实现。但是仅仅只有返回值类型不同，是无法构成函数重载的。那要怎样才能在一个类里面实现两个 operator* 让他俩一个返回普通的 T&，一个返回 const T& 呢？一般人可能想着那就再单独写一个 _list_const_iterator 的类，这样也行，就是会比较冗余，我们可以通过在普通迭代器的基础上，再传递一个模板参数，让编译器来帮们生成呀。除此之外， operator->也需要实现 const 版本，因此还需要第三个模板参数。
template<class T,class Ref, class Ptr>
struct _list_iterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
Node* _node;
_list_iterator(Node* val)
{
_node = val;
}
Ref operator* ()
{
return _node->_val;
}
Ptr operator-> ()
{
return &(_node->_val);
}
bool operator!= (const self& right) const
{
return _node != right._node;
}
bool operator== (const self& right) const
{
return _node == right._node;
}
self operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self operator++(int)
{
self tmp(this->_node);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
};
//operator->的使用场景
struct A
{
A(int a = 0, int b = 0)
{
_a = a;
_b = b;
}
int _a;
int _b;
};
void Textlist3()
{
wcy::list<A> l;
l.push_back(A(1, 2));
l.push_back(A(3, 4));
l.push_back(A(5, 6));
l.push_back(A(7, 8));
wcy::list<A>::iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << it->_a << ',' << it->_b << " ";
cout << endl;
it++;
}
}
小Tips：上面代码中的 it->_a 会去调用 operator->，返回一个 A 类型的指针，所以这里应该是两个 ->，即 it->->_a ，但是编译器进行了优化，只需要一个 -> 即可。
2.4 list的成员函数
2.4.1 构造函数
list()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _next;
}
小Tips：list 本质上是一个带头双向循环链表。
2.4.2 拷贝构造函数
list(const list& ll)
//list(const list<T>& ll)
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
for (auto& e : ll)
{
push_back(e);
}
}
2.4.3 赋值运算符重载
void swap(list<T> l2)
{
std::swap(_head, l2._head);
}
list& operator=(const list ll)
//list<T>& operator=(const list<T> ll)
{
//现代写法
swap(ll);
return *this;
}
小Tips：构造函数和赋值运算符重载函数的形参和返回值类型可以只写类名 list，无需写完整的类型 list<T>，但是不推荐这样写，容易造成混淆，其次现代写法和常规写法在效率上没有任何区别，只是将本来需要我们做的事情交给了编译器去做。
2.4.4 push_back
void push_back(const T& val)
{
//先找尾
Node* tail = _head;
while (tail->_next != _head)
{
tail = tail->_next;
}
//插入元素
Node* newnode = new Node(val);
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
2.4.5 迭代器相关
iterator begin()
{
return _head->_next;//单参数的构造函数支持隐式类型转换
}
iterator end()
{
return _head;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;//单参数的构造函数支持隐式类型转换
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}
2.4.6 insert
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
//找到 pos 位置的前一个位置
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
//插入元素
Node* newnode = new Node(val);
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
return newnode;
}
2.4.7 erase
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* cur = pos._node;//保存当前节点
Node* prev = cur->_prev;//保存前一个节点
Node* next = cur->_next;//保存后一个节点
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;
cur = nullptr;
return next;
}
2.4.8 push_front
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
2.4.9 pop_back
void pop_back()
{
erase(--end());
}
2.4.10 pop_front
void pop_front()
{
erase(begin());
}
2.4.11 size
size_t size()
{
size_t sz = 0;
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it++;
sz++;
}
return sz;
}
2.4.12 clear
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
2.4.13 析构函数
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
小Tips：clear 和 析构函数的主要区别在于是否释放头节点。
三、结语
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