【C++】list基本接口+手撕 list（详解迭代器）

父母就像迭代器，封装了他们的脆弱...... 

手撕list目录：

一、list的常用接口及其使用

1.1list 构造函数与增删查改

1.2list 特殊接口

1.3list 排序性能分析

二、list 迭代器实现（重点+难点）

关于迭代器的引入知识：

2.1迭代器的分类

2.2 list 迭代器失效问题（和vector有差异）

2.3list 迭代器源码模板

2.4list 整体基本框架

三、手撕list迭代器

3.1重载operator*()

3.2重载++、–、！=

3.3 利用类模板优化

四、增删查改

4.1 insert（参数必须加引用，担心非内置类型）和erase

4.2 push_back和push_front

4.3  pop_back和pop_front

五、list 构造+赋值重载

5.1默认构造+迭代器区间构造+拷贝构造

5.2 赋值重载现代写法

5.3 类名和类型的问题（C++的一个坑）

六、list和vector的对比（重点）

七、源码合集

---

一、list的常用接口及其使用

1.1list 构造函数与增删查改

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，其底层是带头双向循环链表；list 常用接口的使用和 string、vector 系列容器的接口使用一样，这里我不详细介绍，请看我们的老朋友：cplusplus.com - The C++ Resources Network

构造函数：

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
构造空的 list	拷贝构造函数
list (InputIterator first, InputIterator last)	用 [first, last) 区间中的元素构造 list

增删查改： 

函数说明	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

注意：

1、由于 list 的物理结构是非连续的 – 前一个节点地址和后一个节点地址的位置关系是随机的，所以 list 不支持随机访问，自然也就不支持 [ ] 操作；

2、list 不支持reserve操作，因为 list 的节点是使用时开辟，使用完销毁，不能预留空间；

（从这个特点也容易看出来，如果需要一直插入删除元素，利用list更好）

1.2list 特殊接口

除了上述 STL 容器基本都有的一般接口外，list 还提供一些独有的特殊操作接口，如下：

函数声明	接口说明
splice	将 list1 中的元素转移到 list2 中
remove	移除 list 中的指定元素
unique	链表去重（sort之后才可以用）
merge	合并两个链表
sort	链表排序（探究为什么list自己写sort）
reverse	链表逆置

题外话： 为什么list需要自己实现sort接口？？难道说库中的封装性不好？效率不高？

 我们先使用库中自己的sort函数：

我们使用算法库中的sort函数：

void test_sort()
{list<int> l1{ 5,6,4,8,9,2,7 };//C++ 11写法sort(l1.begin(),l1.end());for(auto l : l1){cout << l << " ";}cout << endl;
}

报错了（意外之中，如果不报错我还写这个知识点干啥 doge） 报错原因说没有-迭代器

让我们看看sort源码~

这一切的一切都是因为sort的迭代器引起的！！ 

注意：

1、链表排序只能使用 list 提供的 sort 接口，而不能使用 algorithm 提供的 sort 接口，因为链表物理地址不连续，迭代器为双向迭代器，不支持 + - 操作，而算法库中的 sort 函数需要支持 + - 的随机迭代器；

2、链表去重之前必须保证链表有序，否则去重不完全；

3、两个有序链表合并之后仍然保存有序；

 最后，虽然 list 提供了这些具有特殊功能的接口，它们也确实有一定的作用，但是实际上这些特殊接口使用频率非常低，包括 sort 接口 (链表排序的效率太低)。

1.3list 排序性能分析

虽然链表排序只能使用 list 提供的 sort 接口，而不能使用 algorithm 提供的 sort 接口，但是其使用频率仍然非常低，这是由于链表排序的效率太低了，我们可以通过对比两组测试数据来直观的感受链表排序的效率。

测试一：vector 排序与 list 排序性能对比

//vector sort 和 list sort 性能对比 -- release 版本下
void test_op1() {srand((size_t)time(0));const int N = 1000000;  //100万个数据vector<int> v;v.reserve(N);list<int> lt;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand();v.push_back(e);lt.push_back(e);}//vector sortint begin1 = clock();sort(v.begin(), v.end());int end1 = clock();//list sortint begin2 = clock();lt.sort();int end2 = clock();printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}

测试二：list 直接进行排序与将数据拷贝到 vector 中使用 vector 排序后再将数据拷回 list 中性能对比

//list sort 与 将数据转移到 vector 中进行排序后拷贝回来性能对比 -- release 版本下
void test_op2()
{srand(time(0));const int N = 1000000;  //100万个数据list<int> lt1;list<int> lt2;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand();lt1.push_back(e);lt2.push_back(e);}//list sort -- lt1int begin1 = clock();lt1.sort();int end1 = clock();// 将数据拷贝到vector中排序，排完以后再拷贝回来 -- lt2int begin2 = clock();vector<int> v;v.reserve(N);for (auto e : lt2)  //拷贝{v.push_back(e);}sort(v.begin(), v.end());  //排序lt2.assign(v.begin(), v.end());  //拷贝int end2 = clock();printf("list1 sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list2 sort:%d\n", end2 - begin2);
}

 可以看到，list sort 的效率远低于 vector sort，甚至于说，直接使用 list sort 的效率都不如先将数据拷贝到 vector 中，然后使用 vector sort，排序之后再将数据拷贝回 list 中快；所以list中的sort接口是很挫的！！

---

二、list 迭代器实现（重点+难点）

关于迭代器的引入知识：

迭代器的价值在于封装底层的实现，不具体暴露底层的实现细节，提供统一的访问方式

iterator只是代言人！！真正的牛逼大佬其实是_list_iterator

为什么在 list 中将迭代器搞成指针这招不好用了呢？？

在数组中，*指针就是元素，指针++就是 +sizeof(T) 对象大小，没办法，谁叫他们物理空间连续，结构NB，所以对于vector和string类而言，物理空间是连续的，原生的指针就是迭代器了，解引用就是数据了。但是对于这里的list而言，空间是不连续的

解决方法：

此时如果解引用是拿不到数据的（空间不连续），更不用说++指向下一个结点了。所以，对于list的迭代器，原生指针已经不符合我们的需求了，我们需要去进行特殊处理：进行类的封装。我们可以通过类的封装以及运算符重载支持，这样就可以实现像内置类型一样的运算符

迭代器的俩个特征：

1.解引用2.++ / --

运算符重载的大任务：

实现解引用operator*（）和++函数

2.1迭代器的分类

按照迭代器的功能，迭代器一共可以分为以下三类：

• 单向迭代器 – 迭代器仅仅支持 ++ 和解引用操作（单链表，哈希）

• 双向迭代器 – 迭代器支持 ++、-- 和解引用操作，但不支持 +、- 操作（list 双向链表）

• 随机迭代器 – 迭代器不仅支持 ++、-- 和解引用操作，还支持 +、- 操作，即迭代器能够随机访问（string，vector）

这也充分说明，vector和string是可以用库中的sort函数的

​

---

迭代器还可以分成普通迭代器和const迭代器俩类：

//1.const T* p1
list<int>::const_iterator cit = lt.begin();
//2.T* const p2
const list<int>::iterator cit = lt.begin();
//不符合const迭代器的行为，因为保护迭代器本身不能修改，那么我们也就不能++迭代器

灵魂拷问：const迭代器是p1还是p2？p1

const迭代器类似p1的行为，保护指向的对象不被修改，迭代器本身可以修改

2.2 list 迭代器失效问题（和vector有差异）

vector迭代器失效：insert扩容+erase的时候会失效

和 vector 不同，list 进行 insert 操作后并不会产生迭代器失效问题，因为 list 插入的新节点是动态开辟的，同时由于 list 每个节点的物理地址是不相关的，所以插入的新节点并不会影响原来其他节点的地址；

但是 list erase 之后会发生迭代器失效，因为 list 删除节点会直接将该节点释放掉，此时我们再访问该节点就会造成越界访问

2.3list 迭代器源码模板

我们知道，迭代器是类似于指针一样的东西，即迭代器要能够实现指针相关的全部或部分操作 – ++、–、*、+、-；对我们之前 string 和 vector 的迭代器来说，迭代器就是原生指针，所以它天然的就支持上述操作；

但是对于 list 来说，list 的节点是一个结构体，同时 list 每个节点的物理地址是不连续的，如果此时我们还简单将节点的指针 typedef 为迭代器的话，那么显然它是不能够实现解引用、++ 等操作的，所以我们需要用结构体/类来对迭代器进行封装，再配合运算符重载等操作让迭代器能够实现解引用、++、-- 等操作

框架代码如下：

//节点定义
template <class T>
struct __list_node {typedef void* void_pointer;void_pointer next;void_pointer prev;T data;
};//迭代器定义
typedef __list_iterator<T, T&, T*>   iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*>  const_iterator;//迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr>  self;typedef __list_node<T>* link_type;  //节点的指针link_type node; //类成员变量__list_iterator(link_type x) : node(x) {} //将节点指针构造为类对象//... 使用运算符重载支持迭代器的各种行为self& operator++() {...}self& operator--() {...}Ref operator*() const {...}
};

2.4list 整体基本框架

namespace lzy
{//结点template<class T>struct list_node{list_node* _next;list_node* _prev;T _data;list_node(const T& x)//节点的构造函数及初始化列表:_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}};template<class T>class list{typedef list_node<T> node;public://迭代器typedef __list_iterator<T> iterator;typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;//构造list(){_head = new node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}private:node* _head;size_t _size;};
}

---

三、手撕list迭代器

迭代器的实现我们需要去考虑普通迭代器和const迭代器。这两种迭代器的不同，也会带来不同的接口。我们可以分别单独去进行实现，我们先来看一看简单的构造迭代器，只需要提供一个结点即可,看一看实现的基本框架：

    template<class T>struct __list_iterator{typedef list_node<T> node;node* _pnode;__list_iterator(node* p):_pnode(p){}}

为什么迭代器不写拷贝构造函数？浅拷贝真的可以吗？

对于迭代器的拷贝构造和赋值重载我们并不需要自己去手动实现，编译器默认生成的就是浅拷贝，而我们需要的就是浅拷贝，这也说明了，并不是说如果有指针就需要我们去实现深拷贝，而且迭代器不需要写析构函数，所以说不需要深拷贝

为什么聊这个问题？因为list<int>::iterator it=v.begin() 这就是一个拷贝构造

3.1重载operator*()

这个比较简单，就是要获取迭代器指向的数据，并且返回数据的引用：

T& operator*()
{return _pnode->_data;
}

 3.2重载++、–、！=

	   __list_iterator<T>& operator++(){_pnode = _pnode->_next;return *this;}__list_iterator<T>& operator--(){_pnode = _pnode->_prev;return *this;}bool operator!=(const __list_iterator<T>& it){return _pnode != it._pnode;}

 如果按照上面的做法，我们在来看看此时普通迭代器和const迭代器的区别：

//typedef __list_iterator<T> iterator;
//typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;template<class T>struct __list_iterator{typedef list_node<T> node;node* _pnode;__list_iterator(node* p):_pnode(p){}T& operator*(){return _pnode->_data;}__list_iterator<T>& operator++(){_pnode = _pnode->_next;return *this;}__list_iterator<T>& operator--(){_pnode = _pnode->_prev;return *this;}bool operator!=(const __list_iterator<T>& it){return _pnode != it._pnode;}};//跟普通迭代器的区别：遍历，不能用*it修改数据template<class T>struct __list_const_iterator{typedef list_node<T> node;node* _pnode;__list_const_iterator(node* p):_pnode(p){}const T& operator*(){return _pnode->_data;}__list_const_iterator<T>& operator++(){_pnode = _pnode->_next;return *this;}__list_const_iterator<T>& operator--(){_pnode = _pnode->_prev;return *this;}bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it){return _pnode != it._pnode;}};

代码冗余！！！代码冗余！！！代码冗余！！！

如果是这样子去实现的话，我们就会发现，这两个迭代器的实现并没有多大的区别，唯一的区别就在于operator*的不同。const迭代器和普通迭代器的唯一区别就是普通迭代器返回T&，可读可写，const迭代器返回const T&,可读不可写。我们可以参考源码的实现：类模板参数解决这个问题，这也是迭代器的强大之处

3.3 利用类模板优化

template <class T,class Ref,class Ptr>
//typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
//typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

利用类模板参数修正之后的代码：

    //  typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//  typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list_iterator{typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;node* _pnode;__list_iterator(node*p):_pnode(p){}//返回数据的指针Ptr operator->(){return &_pnode->_data;}//模板参数做返回值Ref operator *(){return _pnode->_data;}//++itSelf& operator ++(){_pnode = _pnode->_next;return *this;}//it++Self operator ++(int){Self tmp(*this);_pnode = _pnode->_next;return tmp;}Self& operator--(){_pnode = _pnode->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_pnode = _pnode->_prev;return tmp;}bool operator !=(const Self& it)const{return _pnode != it._pnode;}bool operator ==(const Self& it)const{return _pnode == it._pnode;}};

同一个类模板，此时我们传递不同的参数实例化成不同的迭代器了！！！这解决了我们刚刚所说的代码冗余问题

---

四、增删查改

4.1 insert（参数必须加引用，担心非内置类型）和erase

insert：在pos位置上一个插入，返回插入位置的迭代器，对于list的insert迭代器不会失效，vector失效是因为扩容导致pos位置造成野指针问题

		iterator insert(iterator pos,const T& x){node* newnode = new node(x);node* cur = pos._pnode;node* prev = cur->_prev;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;++_size;return iterator(newnode);}

 erase:这里的带头（哨兵位）头结点不可删除，返回值是删除位置的下一个，对于list的erase迭代器是失效的

		iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());node* prev = pos._pnode->_prev;node* next = pos._pnode->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._pnode;--_size;return iterator(next);}

4.2 push_back和push_front

        void push_back(const T& x){insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}

注意！list的begin和end的位置

同时这个问题还可以延伸出另一个问题：为什么迭代器访问元素的时候要这样写？

 在vector中，物理地址是连续的，这么写还情有可原，分析过list的begin和end之后，你还敢这么写吗？？

 直接就报错了，所以正确的应该是！=，而不是 <

void test3()
{vector<int> vv={1,5,7,8,9,3,4};list<int> l={1,5,6,7};vector<int>::iterator it1=vv.begin();list<int>::iterator it2=l.begin();while(it1 < vv.end()){cout << *it1 << " ";it1++;}cout << endl;// while(it2 < l.end())// {//     cout << *it2 << " ";//     it2++;// }while(it2 != l.end()){cout << *it2 << " ";it2++;}cout << endl;
}

4.3  pop_back和pop_front

尾删和头删，复用erase即可

		void pop_front(){erase(begin());}void pop_back(){erase(--end());}

这里的尾删刚好用上了我们的重载

---

五、list 构造+赋值重载

5.1默认构造+迭代器区间构造+拷贝构造

默认构造：

list()
{_head = new node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;
}

我们可以用empty_initialize()来封装初始化，方便复用，不用每次都写：

void empty_initialize()
{_head = new node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;
}

迭代器区间构造：

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

拷贝构造：

 传统：
 

		list(const list<T>& lt){empty_initialize();for (const auto& e : lt){push_back(e);}}

 用范围for进行尾插，但是要注意要加上&，范围for是*it赋值给给e，又是一个拷贝，e是T类型对象，依次取得容器中的数据，T如果是string类型，不断拷贝，push_back之后又销毁

现代：

		void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}		list(const list<T>& lt){empty_initialize();list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());swap(tmp);}

5.2 赋值重载现代写法

		list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}

5.3 类名和类型的问题（C++的一个坑）

查看官方文档，我们可以看到list没有类型：

list<T>& operator=(list<T> lt)
list& operator=(list lt) 

对于普通类：类名等价于类型

对于类模板：类名不等价于类型（如list模板，类名：list 类型：list）

类模板里面可以用类名代表类型，但是并不建议，在类外面则必须要带模板参数list

---

六、list和vector的对比（重点）

	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
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	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	大量插入和删除操作，不关心随机访问

七、源码合集

#pragma once#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <algorithm>namespace lzy {template<class T>struct list_node  //list 节点结构定义{list_node<T>* _next;//不加<T>也没错，但是写上好一些list_node<T>* _prev;T _data;list_node(const T& x)//构造:_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}};//迭代器最终版//const 迭代器 -- 增加模板参数，解决 operator*() 返回值与 operator->() 返回值问题//typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//STL源码中大佬的写法，利用多个模板参数来避免副本造成的代码冗余问题template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list_iterator  //迭代器类{typedef list_node<T> node;  //重命名list节点typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;  //这里进行重命名是为了后续再添加模板参数时只用修改这一个地方node* _pnode;  //节点指针作为类的唯一成员变量__list_iterator(node* p):_pnode(p){}Ref operator*()  //解引用{return _pnode->_data;}Ptr operator->()  //->{return &_pnode->_data;}Self& operator++() //前置++{_pnode = _pnode->_next;return *this;}Self& operator++(int) //后置++{Self it(*this);_pnode = _pnode->_next;return it;}Self& operator--() //前置--{_pnode = _pnode->_prev;return *this;}Self& operator--(int) //后置--{Self it(*this);_pnode = _pnode->_prev;return it;}bool operator!=(const Self& it) const //!={return _pnode != it._pnode;}bool operator==(const Self& it) const  //=={return _pnode == it._pnode;}};//list 类template<class T>class list{typedef list_node<T> node;  //list 的节点public:typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;  //迭代器typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; //const 迭代器//迭代器iterator begin() {return iterator(_head->_next);}iterator end() {//iterator it(_head);//return it;//直接利用匿名对象更为便捷return iterator(_head);}const_iterator begin() const {return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const {return const_iterator(_head);}void empty_initialize() {  //初始化 -- 哨兵位头结点_head = new node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;  //空间换时间，用于标记节点个数}list() {  //构造，不是list<T>的原因：构造函数函数名和类名相同，而list<T>是类型empty_initialize();}//迭代器区间构造template <class InputIterator>list(InputIterator first, InputIterator last) {empty_initialize();while (first != last){push_back(*first);++first;//first++;}}//拷贝构造传统写法//list(const list<T>& lt) {//	empty_initialize();//	for (const auto& e : lt)//	{//		push_back(e);//	}//}// 拷贝构造的现代写法//list(const list& lt) 官方库是这样写的，这是由于在类内类名等价于类型，但不建议自己这样写list(const list<T>& lt) {empty_initialize();  //初始化头结点，防止交换后tmp野指针不能正常的调用析构list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());swap(tmp);}//赋值重载传统写法//list<T>& operator=(const list<T>& lt) {//	if (this != &lt)//	{//		clear();//		for (const auto& e : lt)//		{//			push_back(e);//		}//	}//	return *this;//}//赋值重载现代写法//list& operator=(list lt)list<T>& operator=(list<T> lt) {  //不能加引用，lt是调用拷贝构造生成的swap(lt);return *this;}~list() {  //析构clear();delete _head;_head = nullptr;}void swap(list<T>& lt) {  //交换两个链表，本质上是交换两个链表的头结点std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}size_t size() const {  //增加一个计数的成员，以空间换时间return _size;}bool empty() {  //判空return _size == 0;}void clear() {iterator it = begin();while (it != end()) {it = erase(it);}_size = 0;}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;insert(end(), x);  //复用}void push_front(const T& x) {insert(begin(), x);  //复用}void pop_front() {erase(begin());}void pop_back() {erase(--end());}iterator insert(iterator pos, const T& x) {node* newnode = new node(x);node* cur = pos._pnode;node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;cur->_prev = newnode;newnode->_next = cur;++_size;return iterator(pos);}iterator erase(iterator pos) {assert(pos != end());node* prev = pos._pnode->_prev;node* next = pos._pnode->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._pnode;--_size;return iterator(next);}private:node* _head;size_t _size;};
}

 

完结撒花~