【C++ STL】list

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list

与 vector 相比，list 的好处就是每次插⼊或删除 ⼀个 元素 就 配置或释放 ⼀个 空间，而且 原有 的 迭代器 也 不会 失 效。list 是 ⼀个 双向链表，普通 指针 已经 不能 满足 list 迭代器 的 需求，因为 list 的 存储 空间 是 不 连续 的。list 的 迭代器 必需 具备 前移 和 后退 功能，所以 list 提供 的 是 BidirectionalIterator。list 的 数据 结构 中 只要 ⼀个 指向 node 节点 的 指针 就 可以 了。

list (cplusplus.com)

template < 
	class T, //模板参数T
	class Alloc = allocator<T> //空间配置器
         > 
class list; //类模板
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关于链表，数据结构处已经讨论过，不再赘述。

1. list的使用

1.1 增删查改

1.2 功能接口

lt.sort();
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list 不支持随机访问，所以不支持算法库中的 sort。

单独内置一个 sort 接口，使用的是归并排序，但效率不高。当需要对数据进行排序的时候，不要选择链表。

lt.sort();
lt.unique();
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去重接口可以去掉链表中的重复元素，但前提是需先将链表排成有序状态。

lt.remove(1);
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删除链表中所有指定值的元素，不是指定下标位置的元素。

lt.splice(pos, list);              // 转移整个链表
lt.splice(pos, list, i);           // 转移单个节点
lt.splice(pos, list, first, last); // 转移一段区间
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接合函数能将一个链表中的一个或多个节点，转移到另一个链表中的指定迭代器位置。可转移整个链表，可转移链表内的一个元素，转移一个迭代器区间。

splice 的功能是转移不是拷贝，原链表中的该节点将不复存在。

 

list 不支持随机访问，实际中用的不多。list 的重点在于模拟实现。

2. list的模拟实现

2.1 list的定义

// listnode
template<class T>
struct __list_node
{
    __list_node<T>* _prev;
    __list_node<T>* _next;
    T _data;

    __list_node<T>(const T& t = T())
        : _data(t), _prev(nullptr), _next(nullptr)
    {}
};

// list
template <class T>
class list 
{ 
public:
    typedef __list_node<T> Node;
    list() {
        empty_init();
    }
private:
    Node* _head;
}
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__list_node 是链表节点类，list 是链表类，他的成员是 __list_node 类型的指针，作链表的带头节点。

一般供他人使用的类，都用 struct 定义，因为 struct 定义的类成员默认都是公有的。

2.2 默认成员函数

/* default constructor */
void empty_init()
{
	_head = new Node(x);
    _head->_prev = _head;
    _head->_next = _head;
}

list()
{
    empty_init();
}
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/* copy constructor */  
//传统写法
list<T>(const list<T>& lt)
{
    empty_init();
    for (auto e : lt)
        push_back(e);
}
//现代写法
list<T>(const list<T>& lt)
{
	empty_init();
	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
    swap(_head, tmp._head);
}
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/* = operator */
//传统写法
list<T>& operator=(const list<T>& lt)
{	
    if (this != &lt) {
        clear();
        for (auto e : lt)
            push_back(e);
    }
    return *this;
}
//现代写法
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
    swap(_head, lt._head);
    return *this;
}
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/* deconstructor */
void clear()
{
    iterator it = begin();
    while (it != end())
    {
        it = erase(it);
    }
}

~list<T>()
{
    clear();
    delete _head;
}
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2.3 迭代器

迭代器模拟指针，意图像指针一样遍历容器。

list 的底层实现并不是 vector 一样的连续空间，而是通过节点地址链接前后，故 list 实现上述操作就需要自行实现一个迭代器类再重载这些运算符。

正向迭代器

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
    typedef __list_node<T> list_node;
    typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;

    __list_iterator(list_node* n) : _node(n)
    {}

    Ref operator*() {
        return _node->_data;
    }
    Ptr operator->() {
        return &_node->_data;
    }

    self& operator++() {
        _node = _node->_next;
        return *this;
    }
    self& operator--() {
        _node = _node->_prev;
        return *this;
    }

    bool operator!=(const self& s) {
        return _node != s._node;
    }

    list_node* _node;
};
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list 容器的迭代器是双向迭代器，不支持随机访问，没有重载+,+=,-,-=。

迭代器的拷贝构造、赋值重载都只需要浅拷贝指针。析构函数无需释放任何资源，节点交由链表进行管理。所以这些编译器默认生成就可以。

解引用箭头

template <class T, class Ref, class Ptr> // 交由list类控制
struct __list_iterator 
{
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> iterator;
    Ref operator* () { return  _node->_data; }
    Ptr operator->() { return &_node->_data; }
    //...
};

class list
{
public:
    typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;                   // 传入普通类型
    typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; // 传入常量类型
}
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可以给迭代器类增加引用和指针类型的模版参数，分别给*和->重载函数返回值使用。

相当于把具体的元素引用和指针类型交给外界控制。就不需要单独实现一个常量迭代器了。

当元素是自定义类型时，箭头操作符可以让迭代器直接访问到自定义类型的内部成员。如：

struct AA
{
    AA(int a1 = 0, int a2 = 0) : _a1(a1), _a2(a2) {}
    int _a1;
    int _a2;
};

void test_list()
{
    list<AA> lt;
    lt.push_back(AA(1, 1));
    lt.push_back(AA(2, 2));

    list<AA>::iterator it = lt.begin();
    while (it != lt.end())
    {
        cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << " "; // ->直接访问AA内部成员
        ++it;
    }
    cout << endl;
}
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it->AA()->_a1，省略了一个->。

反向迭代器

反向迭代器同样是个适配器，所以它被单独实现在一个文件中。

template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct reverse_iterator
{
    Iterator _it;
    typedef reverse_iterator self;

    reverse_iterator(Iterator it) // 利用正向迭代器构造出反向迭代器
        :_it(it) 
    {}
    
    self& operator++() // 反向迭代器++，就是正向迭代器--
    {
        --_it;
        return *this;
    }

    self& operator--() // 反向迭代器--，就是正向迭代器++
    {
        ++_it;
        return *this;
    }

    bool operator!=(const self& it) // 反向迭代器是否相等，就是正向迭代器是否相等
    {
        return _it != it._it;
    }
    
    Ref operator*() 
    {
        Iterator tmp = _it;
        return *--tmp;       // 前一个位置的迭代器
    }
    Ptr operator->()
    {
        Iterator tmp = _it;
        return &*--tmp;
    }
};
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反向迭代器是对正向迭代器的封装。源码实现使用类型萃取难度较高，我们不使用。

反向迭代器解引用和箭头不是访问当前位置，而是前一个位置。

//list源码
iterator begin() { return (link_type)((*node).next); }
iterator end() { return node; }

reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }
reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(begin()); }

const_iterator begin() const { return (link_type)((*node).next); }
const_iterator end() const { return node; }

const_reverse_iterator rbegin() const { return const_reverse_iterator(end()); }
const_reverse_iterator rend() const { return const_reverse_iterator(begin()); }
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所有容器的迭代器begin/end()和rbegin/rend()指向的位置正好对应相反。目的是设计出对称形式，因此解引用时返回的是上一个位置的数据。

反向迭代器遍历：

list<int>::reverse_iterator rit = it.rbegin();
while (rit != it.rend()) {
    // 这里可以访问rit指向的元素，比如输出元素的值
    cout << *rit << " ";
    // 向前移动迭代器
    ++rit;
}

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迭代器接口

template<class T>
class list 
{
public:
    typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
    typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
    typedef reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
    typedef reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;

    iterator begin() { return iterator(_head->_next); }
    iterator end()   { return iterator(_head); }
    
    const_iterator begin() const { return const_iterator(_head->_next); }
    const_iterator end()   const { return const_iterator(_head); }

    reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }
    reverse_iterator rend()   { return reverse_iterator(begin()); }

    const_reverse_iterator rbegin() const { return const_reverse_iterator(end()); }
    const_reverse_iterator rend()   const { return const_reverse_iterator(begin()); }
};
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2.4 基本功能

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
    Node* newNode = new Node(x);
    Node* prev = pos._node->_prev;
    Node* cur = pos._node;
    
    // prev - newNode - cur
    prev->_next = newNode;
    newNode->_prev = prev;
    
    cur ->_prev = newNode;
    newNode->_next =  cur;
    
    return iterator(newNode); //返回迭代器
}
iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos != end());
    
    Node* prev = pos._node->_prev;
    Node* next = pos._node->_next;
    
    delete pos._node;
    
    // prev - pos - after
    prev->_next = next;
    next->_prev = prev;
    
    return iterator(next);
}
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• list 的插入操作迭代器不会失效，因为迭代器 pos 的值不会改变，始终指向原来的节点。
• list 的删除操作迭代器一定失效，因为节点已经被释放了，应修正为 pos 下一个位置。

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()); }
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3. list对比vector

vector数据结构：
vector 和 数组 类似，拥有一段 连续 的 内存空间，并且 起始地址 不变。因此 能 高效 的 进行 随机存取，时间复杂度 为 O(1)；但 因为 内存空间 是 连续 的，所以 在 进行 插入 和 删除 操作时，会 造成 内存块 的 拷贝，时间复杂度 为 O(n)。它 与 数组 最大 的 区别 就是 vector 不需 程序员 自己 去 考虑 容量问题，库 里面 本身 已经 实现 了 容量 的 动态增长，而 数组 需要 程序员 手动 写入 扩容函数 进形 扩容。

list数据结构：
list 是 由 双向链表 实现 的，因此 内存空间 是 不 连续 的。只能 通过 指针 访问 数据，所以 list 的 随机存取 非常 没有效率，时间复杂度 为 O(n)；但 由于 链表 的 特点，能 高效 地 进行 插入 和 删除。 非连续存储结构：list 是 一个 双链表 结构，支持 对 链表 的 双向遍历。每个 节点 包括 三个 信息：元素本身，指向 前一个元素 的 节点（prev）和 指向 下一个元素 的 节点（next）。因此 list 可以 高效率 地 对 数据元素 任意位置 进行 访问 和 插入删除 等 操作。由于 涉及 对 额外指针 的 维护，所以 开销 比较 大。

区别如下：

1. vector 的 随机访问 效率 高，但 在 插入 和 删除 时（不包括 尾部） 需要 挪动数据，不易操作。
2. list 的 访问 要 遍历整个链表，它 的 随机访问 效率 低。但 对 数据 的 插入 和 删除 操作 等 都 比较 方便，改变 指针 的 指向 即可。
3. 从 遍历 上 来 说，list 是 单向 的，vector 是 双向 的。
4. vector 中 的 迭代器 在 使用后 就 失效 了，而 list 的 迭代器 在 使用 之后 还 可以 继续使用。

vector与list两种容器各有优劣，实际上vector用的更多些。因为vector支持随机访问，其次空间浪费也不是太严重的问题。