C++初级----list（STL）

1、 list介绍

1.1、 list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。 
    1. 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。 
    2. 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。
    3. 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。
    4. 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)

1.2 、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。

1.3、list的构造

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
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

1.4 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

1.5 list element access

1.6 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

1.7 list的迭代器失效

        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。

2、list的模拟实现

2.1 list的反向迭代器

        通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭 代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行 包装即可。

template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;public:// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it) {}// 具有指针类似行为Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}// 迭代器支持移动Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--(){++_it;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);++_it;return temp;}// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l) const{return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l) const{return _it != l._it;}Iterator _it;
};

2.2、list的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace kzy {template<class T>struct list_node {list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;T _data;list_node(const T& val = T()):_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(val){}};template<class T, class Ref,class Ptr>struct _list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;_list_iterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*() {return _node->_data;}Ptr operator->(){//return &(operator*());return &_node->_data;}self& operator++() {_node=_node->_next;return *this;}self operator++(int){self* tmp(*this);_node = _node->next;return tmp;}self& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}self operator--(int){self* tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const self& it){return _node == it._node;}};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;const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end() {return iterator(_head);}list() {_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}void empty_init() {_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}template <class InputIterator>list(InputIterator first, InputIterator last){empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);}list(const list<T>& it){empty_init();list<T> tmp = list(it.begin(), it.end());swap(tmp);}list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()) {it=erase(it);}}iterator erase(iterator pos) {assert(pos != end());Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;return iterator(next);}void push_back(const T& x) {insert(end(),x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_back() {erase(--end());}void pop_front() {erase(begin());}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}private:Node* _head;};void print_list(const list<int>& lt){list<int>::const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//*it = 10; // 不允许修改cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){*it = 20;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;print_list(lt);}struct AA{AA(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}int _a1;int _a2;};void test_list2(){list<AA> lt;lt.push_back(AA(1, 1));lt.push_back(AA(2, 2));lt.push_back(AA(3, 3));lt.push_back(AA(4, 4));// 迭代器模拟的是指针行为// int* it  *it// AA*  it  *it  it->list<AA>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//cout << (*it)._a1 << "-"<< (*it)._a2 <<" ";cout << it->_a1 << "-" << it->_a2 << " ";++it;}cout << endl;}void test_list3(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_front(1);lt.push_front(2);lt.push_front(3);lt.push_front(4);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_front();lt.pop_front();lt.pop_back();lt.pop_back();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list4(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.push_back(6);// 要求在偶数的前面插入这个偶数*10auto it1 = lt.begin();while (it1 != lt.end()){if (*it1 % 2 == 0){lt.insert(it1, *it1 * 10);}++it1;}for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list5(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.push_back(6);// 删除所有的偶数/*auto it1 = lt.begin();while (it1 != lt.end()){if (*it1 % 2 == 0){lt.erase(it1);}++it1;}*/auto it1 = lt.begin();while (it1 != lt.end()){if (*it1 % 2 == 0){it1 = lt.erase(it1);}else{++it1;}}for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.clear();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.push_back(10);lt.push_back(20);lt.push_back(30);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list6(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.push_back(6);list<int> lt1(lt);for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;list<int> lt2;lt2.push_back(10);lt2.push_back(20);lt1 = lt2;for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;}
}

3、list和vector对比

	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，访问某个元素效率O(N)
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	需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率	大量插入和删除操作，不关心随机访