C++初阶:8.list

list

一.list的介绍及使用

1. list的介绍

list的文档介绍

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，已让其更简单高效。
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)

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).list的构造

list的构造使用代码演示

(2). list iterator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。

【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

list的迭代器使用代码演示

(3).list capacity

(4). list element access

(5).list modifiers

• 补充:

  list的resize就是一个尾插, 尾删.

  

list的插入和删除使用代码演示
list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

(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。

void TestListIterator1()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给
		其赋值
			l.erase(it);
		++it;
	}
}

// 改正
void TestListIterator()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		l.erase(it++); // it = l.erase(it);
	}
}
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二.list的模拟实现

1. 模拟实现list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<algorithm>

using std::cout;
using std::endl;


namespace bit
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode* _next;
		ListNode* _prev;
		T _data;

		ListNode(const T& x=T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(x)
		{}
	};

	//法二:增加两个模板参数(编译器实例化生成了两个类)
	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)
		{}
		
		// *it
		//T& operator*()
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

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

		// ++it
		Self& operator ++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		// it++
		Self operator ++(int)
		{
			Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

		Self& operator --()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator --(int)
		{
			Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator ==(const Self& it)
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

	//法一:写两个类
	//template<class T>
	//struct ListConstIterator
	//{
	//	typedef ListNode<T> Node;
	//	typedef ListConstIterator<T> Self;

	//	Node* _node;

	//	ListConstIterator(Node* node)
	//		:_node(node)
	//	{}

	//	// *it
	//	const T& operator*()
	//	{
	//		return _node->_data;
	//	}

	//	const T* operator->()
	//	{
	//		return &(_node->_data);
	//	}

	//	// ++it
	//	Self& operator ++()
	//	{
	//		_node = _node->_next;
	//		return *this;
	//	}

	//	// it++
	//	Self operator ++(int)
	//	{
	//		Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
	//		_node = _node->_next;
	//		return tmp;
	//	}

	//	Self& operator --()
	//	{
	//		_node = _node->_prev;
	//		return *this;
	//	}

	//	Self operator --(int)
	//	{
	//		Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
	//		_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 ListNode<T> Node;
	public:
		//法一的typedef
		//typedef ListIterator<T> iterator;
		//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;
		
		//法二的typedef
		typedef ListIterator<T,T&,T*> iterator;
		typedef ListIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
			//可以直接写return _head->_next;
			//单参数构造函数可以隐式类型转换
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

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

		const_iterator end()const
		{
			return const_iterator(_head);
		}

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}

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

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

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

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
				it++;
			}
		}

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		/*void push_back(const T& x)
		{
			Node* newnode = new Node;
			Node* tail = _head->_prev;
			
			newnode->_data = x;

			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}*/
		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());
		}

		void insert(iterator pos,const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* newnode = new Node(val);
			Node* prev = cur->_prev;

			//prev newnode cur
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			_size++;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;
			_size--;
			return iterator(next);
		}

		size_t size()const
		{
			return _size;
		}

		bool empty()const
		{
			return _size==0;
		}

	private:
		Node* _head;
		size_t _size=0;
	};
}
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2. 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：

list

一.list的介绍及使用

1. list的介绍

list的文档介绍

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，已让其更简单高效。
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)

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).list的构造

list的构造使用代码演示

(2). list iterator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。

【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

list的迭代器使用代码演示

(3).list capacity

(4). list element access

(5).list modifiers

• 补充:

  list的resize就是一个尾插, 尾删.

  

list的插入和删除使用代码演示
list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

(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。

void TestListIterator1()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给
		其赋值
			l.erase(it);
		++it;
	}
}

// 改正
void TestListIterator()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		l.erase(it++); // it = l.erase(it);
	}
}
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二.list的模拟实现

1. 模拟实现list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<algorithm>

using std::cout;
using std::endl;


namespace bit
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode* _next;
		ListNode* _prev;
		T _data;

		ListNode(const T& x=T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(x)
		{}
	};

	//法二:增加两个模板参数(编译器实例化生成了两个类)
	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)
		{}
		
		// *it
		//T& operator*()
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

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

		// ++it
		Self& operator ++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		// it++
		Self operator ++(int)
		{
			Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

		Self& operator --()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator --(int)
		{
			Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator ==(const Self& it)
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

	//法一:写两个类
	//template<class T>
	//struct ListConstIterator
	//{
	//	typedef ListNode<T> Node;
	//	typedef ListConstIterator<T> Self;

	//	Node* _node;

	//	ListConstIterator(Node* node)
	//		:_node(node)
	//	{}

	//	// *it
	//	const T& operator*()
	//	{
	//		return _node->_data;
	//	}

	//	const T* operator->()
	//	{
	//		return &(_node->_data);
	//	}

	//	// ++it
	//	Self& operator ++()
	//	{
	//		_node = _node->_next;
	//		return *this;
	//	}

	//	// it++
	//	Self operator ++(int)
	//	{
	//		Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
	//		_node = _node->_next;
	//		return tmp;
	//	}

	//	Self& operator --()
	//	{
	//		_node = _node->_prev;
	//		return *this;
	//	}

	//	Self operator --(int)
	//	{
	//		Self tmp(*this);//浅拷贝不需要写拷贝构造
	//		_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 ListNode<T> Node;
	public:
		//法一的typedef
		//typedef ListIterator<T> iterator;
		//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;
		
		//法二的typedef
		typedef ListIterator<T,T&,T*> iterator;
		typedef ListIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
			//可以直接写return _head->_next;
			//单参数构造函数可以隐式类型转换
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

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

		const_iterator end()const
		{
			return const_iterator(_head);
		}

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}

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

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

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

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
				it++;
			}
		}

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		/*void push_back(const T& x)
		{
			Node* newnode = new Node;
			Node* tail = _head->_prev;
			
			newnode->_data = x;

			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}*/
		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());
		}

		void insert(iterator pos,const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* newnode = new Node(val);
			Node* prev = cur->_prev;

			//prev newnode cur
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			_size++;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;
			_size--;
			return iterator(next);
		}

		size_t size()const
		{
			return _size;
		}

		bool empty()const
		{
			return _size==0;
		}

	private:
		Node* _head;
		size_t _size=0;
	};
}
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2. 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：