C++ list【常用接口、模拟实现等】

1. list的介绍及使用

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。

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，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的第六个元素，必须从已知的位置（比如头部或尾部）迭代到该位置，在这段位置上迭代器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。

 

1.2 list的使用

1.2.1 list的构造

析构函数（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

（若为手机阅读，表格可左右移动）

1.2.2 list iterato的使用

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，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
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beign位置

 （若为手机阅读，表格可左右移动）

 【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

1.2.3 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

 （若为手机阅读，表格可左右移动）

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

 （若为手机阅读，表格可左右移动）

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中的第一个元素
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

（若为手机阅读，表格可左右移动）

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。

错误：

改正：

2. list的模拟实现

实现节点类

template<class T>
struct ListNode
{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& data = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(data){}
};

实现正向迭代器 

迭代器不用实现析构函数和深拷贝。因为迭代器本身就是为了访问链表的节点，节点属于链表，不属于迭代器，如果需要析构和深拷贝，应该在控制链表的类中实现。

	template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}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;}Ref operator*(){return _node->_data;}bool operator!=(const self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const self& it){return _node == it._node;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}};

 实现反向迭代器

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct RListIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef RListIterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;RListIterator(Node* node):_node(node){}self& operator++(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}self& operator--(){_node = _node->_next;return *this;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Ref operator*(){return _node->_data;}bool operator!=(const self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const self& it){return _node == it._node;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}
};

实现控制list的类

template<class T>
class list
{typedef ListNode<T> Node;public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef RListIterator<T, T&, T*> reverse_iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;void empty_init(){_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}list(const list<T>& it){empty_init();for (const auto& e : it) //在范围for上加上引用，如果it内的元素体积很大的话可以减小代价，引用并不会导致浅拷贝//eg:int a=1;int& a1=a;int b=a1;变量b只是和a的值一样并没有指向同一块空间（int b=a;）{push_back(e);}}list(initializer_list<T> il){empty_init();for (const auto& e : il){push_back(e);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}list<T>& operator=(list<T> it){std::swap(_head, it._head);return *this;}iterator begin(){return iterator(_head->_next);}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(_head->_prev);}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(_head);}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);}void pop_back(){erase(--end());}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_front(){erase(begin());}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}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);}private:Node* _head;
};

 完整list.h

#pragma once
#include <assert.h>
namespace wmm
{template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& data = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(data){}};template<class T, class Ref, class Ptr>struct RListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef RListIterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;RListIterator(Node* node):_node(node){}self& operator++(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}self& operator--(){_node = _node->_next;return *this;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Ref operator*(){return _node->_data;}bool operator!=(const self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const self& it){return _node == it._node;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}};template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}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;}Ref operator*(){return _node->_data;}bool operator!=(const self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const self& it){return _node == it._node;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef RListIterator<T, T&, T*> reverse_iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;void empty_init(){_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}list(const list<T>& it){empty_init();for (const auto& e : it) //在范围for上加上引用，如果it内的元素体积很大的话可以减小代价，引用并不会导致浅拷贝//eg:int a=1;int& a1=a;int b=a1;变量b只是和a的值一样并没有指向同一块空间（int b=a;）{push_back(e);}}list(initializer_list<T> il){empty_init();for (const auto& e : il){push_back(e);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}list<T>& operator=(list<T> it){std::swap(_head, it._head);return *this;}iterator begin(){return iterator(_head->_next);}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(_head->_prev);}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(_head);}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);}void pop_back(){erase(--end());}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_front(){erase(begin());}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}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);}private:Node* _head;};//遍历测试void test(){list<int> l;l.push_back(1);l.push_back(2);l.push_back(3);l.push_back(4);list<int>::iterator it = l.begin();while (it != l.end()){cout << *it << endl;++it;}}//结构体数据，重载符号->测试struct pos{int _x;int _y;pos(int x = 0, int y = 0):_x(x), _y(y){}};void test2(){list<pos> l;struct pos* a = (struct pos*)malloc(sizeof(struct pos));a->_x = 200;a->_y = 200;struct pos b;b._x = 300;b._y = 300;l.push_back(pos(100, 100));l.push_back(*a);l.push_back(b);list<pos>::iterator it = l.begin();while (it != l.end()){cout << (*it)._x << endl;cout << (*it)._y << endl;cout << it._node->_data._x << endl;cout << it._node->_data._y << endl;cout << it->_x << endl;cout << it->_y << endl;//想让迭代器it像结构体指针一样访问数据，重载了一个->符号++it;}}//erase insert 测试void test3(){list<int> l;l.push_back(1);l.push_back(2);l.push_back(3);l.push_back(4);list<int>::iterator it = l.begin();it=l.erase(it);//注意迭代器失效问题for (auto e : l){cout << e << endl;}cout << endl;//it=l.begin();l.insert(it, 1);for (auto& e : l){cout << e << endl;e = 3;}}//拷贝构造测试void test4(){list<int> l;l.push_back(1);l.push_back(2);l.push_back(3);l.push_back(4);for (auto e : l){cout << e << endl;}cout << endl;list<int> l1(l);for (auto e : l1){cout << e << endl;}cout << endl;list<int>::iterator it = l1.begin();*it = 0;for (auto e : l){cout << e << endl;}cout << endl;for (auto e : l1){cout << e << endl;}cout << endl;}//operator=测试void test5(){list<int> l({ 1,2,3,4,5 });list<int> l1 = { 1,2,3,4,6 };l1 = l;for (const auto& e : l){cout << e << endl;}cout << endl;for (const auto& e : l1){cout << e << endl;}cout << endl;list<int>::iterator it = l1.begin();*it = 0;for (const auto& e : l){cout << e << endl;}cout << endl;for (const auto& e : l1){cout << e << endl;}cout << endl;}//反向迭代器测试void test6(){list<int> l({ 1,2,3,4,5 });list<int>::iterator it = l.begin();while (it != l.end()){cout << *it << endl;++it;}list<int> l2({ 1,2,3,4,5 });list<int>::reverse_iterator it1 = l2.rbegin();while (it1 != l2.rend()){cout << *it1 << endl;++it1;}}
}

3. list与vector的对比

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：

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