【C++】【STL】【list类的使用】【list类的模拟实现】

目录

一、list的介绍

迭代器失效问题

list中的sort问题

二、list类的模拟实现

1.定义节点类,list类,迭代器类

①定义节点类

②定义list类

③定义迭代器类

2.迭代器类中具体功能的定义

①迭代器所指向数据的比较

②迭代器的++,--

③迭代器->符号的重载

3.list中具体功能的定义

 ①常量迭代器和迭代器的初始和结束位置的返回

②列表的构造函数

③列表的insert插入

④列表的头插和尾插

⑤列表的擦除函数erase

⑥列表的头插和头删


一、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,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)

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)

[first, last)区间中的元素构造list

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,end位置返回最后一个元素下一个位置的

reverse_iterator,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 

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

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

函数声明

接口说明

push_front

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

list尾部插入值为val的元素

pop_back

删除list中最后一个元素

insert

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

void test_list1()
{
    list lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);
    lt.push_back(5);

    list::iterator  it=lt.begin();
    while(it!=lt.end())
    {
        cout<<*it<<" ";
        ++it;
    }
    cout<

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迭代器失效问题

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 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;
    }
}
int main() {
    TestListIterator1();
    return 0;
}

 

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

【C++】【STL】【list类的使用】【list类的模拟实现】_第2张图片

 

void test_list2() {
    list lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);
    lt.push_back(5);

    auto pos=find(lt.begin(),lt.end(),3);

    //找到了就插入
    if(pos !=lt.end())
    {
        //pos是否会失效?不会
        //相对位置关系是不会发生变化的,同时也不会产生野指针
        //因为这是一个链表
        lt.insert(pos,30);
    }
    for(auto e: lt)
    {
        cout<

【C++】【STL】【list类的使用】【list类的模拟实现】_第3张图片

remove的简单测试

remove会将list中所有指定的要删除的元素全部都删掉

void test_list3() {
    list lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(5);
    for(auto e: lt)
    {
        cout<

【C++】【STL】【list类的使用】【list类的模拟实现】_第4张图片

list中的sort问题

void test_list4() {
    list lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(5);
    //这个算法库中的sort是没办法用的
    //sort(lt.begin(),lt.end());
    //sort算法的迭代器用的是随机访问迭代器,链表的不是,因此不能用该算法
    //使用list专门的sort是可以的,其采用归并的思路
    lt.sort();
    for(auto e: lt)
    {
        cout<

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//N个数据需要排序,vector+算法sort 还是list+sort?
//虽然快排和归并的效率是差不多的,但是vector支持随机访问,在大量的数据的情况下会比list+sort有很大的提升
//使用vector排完再拷贝回去都比list+sort快

 

// N个数据需要排序,vector+ 算法sort  list+ sort
void test_op()
{
    srand(time(0));
    const int N = 100000;
    vector v;
    v.reserve(N);

    list lt1;
    list lt2;

    for (int i = 0; i < N; ++i)
    {
        auto e = rand();
        //v.push_back(e);
        lt1.push_back(e);
        lt2.push_back(e);
    }

    // 拷贝到vector排序,排完以后再拷贝回来
    int begin1 = clock();
    for (auto e : lt1)
    {
        v.push_back(e);
    }
    sort(v.begin(), v.end());
    size_t i = 0;
    for (auto& e : lt1)
    {
        e = v[i++];
    }
    int end1 = clock();

    int begin2 = clock();
    // sort(lt.begin(), lt.end());
    lt2.sort();
    int end2 = clock();

    printf("copy vector sort:%d\n", end1 - begin1);
    printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}

int main()
{
    test_op();
    return 0;
}

容器+sort比list+sort快出了不只一点点 

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二、list类的模拟实现

1.定义节点类,list类,迭代器类

①定义节点类

 template
    struct list_node
    {
        T _data;
        list_node* _next;
        list_node* _prev;
        
        //构造函数
        list_node(const T& x = T())
                :_data(x)
                , _next(nullptr)
                , _prev(nullptr)
        {}
    };

②定义list类

template
    class list
    {
        typedef list_node Node;
    public:
        //采用复用的方式构建我们的普通迭代器和const迭代器
        //第一个参数就是我们的list对象,后面两个参数用来区分是普通迭代器还是const迭代器
        typedef __list_iterator iterator;
        //迭代器返回的是&T
        typedef __list_iterator const_iterator;

    private:
        Node* _head;
    };

 

③定义迭代器类

// 像指针一样的对象
    template
    struct __list_iterator
    {
        typedef list_node Node;
        //采用复用的方式构建我们的普通迭代器和const迭代器
        //第一个参数就是我们的list对象,后面两个参数用来区分是普通迭代器还是const迭代器
        typedef __list_iterator iterator;

        typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
        typedef T value_type;
        typedef Ptr pointer;
        typedef Ref reference;
        typedef ptrdiff_t difference_type;


        Node* _node;

        __list_iterator(Node* node)
                :_node(node)
        {}
        //不需用写迭代器的析构函数
        //因为我们迭代器仅仅是用来遍历链表的,如果在遍历完成将这个结点给释放了
        //那么我们的链表就断掉了!!!

        //不需用写迭代器的拷贝构造
        //因为默认的就是浅拷贝,也就是两个迭代器指向统一个结点,这也正是我们期望的

        
    };

2.迭代器类中具体功能的定义

①迭代器所指向数据的比较

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

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

②迭代器的++,--

用于迭代器的遍历

注意:链表结点的依次遍历和之前的数组是不同的!

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

        // it++
        iterator operator++(int)
        {
            iterator tmp(*this);
            _node = _node->_next;
            return tmp;
        }

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

        // it--
        iterator operator--(int)
        {
            iterator tmp(*this);
            _node = _node->_prev;
            return tmp;
        }

③迭代器->符号的重载

箭头是用来访问结构成员的。

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

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

按照上面的代码,我们其实是需要输入it->->_a1来访问it迭代器中的_a1参数的,其中it->是调用了【C++】【STL】【list类的使用】【list类的模拟实现】_第7张图片

 it->会被转化成it.operator->(),也就是返回一个T*对象

而T*在会调用上面的函数【C++】【STL】【list类的使用】【list类的模拟实现】_第8张图片

返回T*->_data

但是写两个箭头太难看了,编译器为了方便,就变成只输入一个->就可以了。 

 

 并且由于我们上面迭代器的定义方式,我们这里也并没有把是不是const属性给写死,这样下面函数中的Ref和Ptr会随着我们上面模板中的定义而随之改变,也就不用区分是不是const了。

【C++】【STL】【list类的使用】【list类的模拟实现】_第9张图片 

 

3.list中具体功能的定义

 ①常量迭代器和迭代器的初始和结束位置的返回

        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);
        }

②列表的构造函数

        list()
        {
            _head = new Node;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;
        }

③列表的insert插入

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

            Node* newnode = new Node(x);

            // prev newnode cur
            prev->_next = newnode;
            newnode->_prev = prev;
            newnode->_next = cur;
            cur->_prev = newnode;

            return iterator(newnode);
        }

④列表的头插和尾插

        void push_back(const T& x)
        {
        //可以手动重新写一个
            //Node* tail = _head->_prev;
            //Node* newnode = new Node(x);

             _head          tail  newnode
            //tail->_next = newnode;
            //newnode->_prev = tail;
            //newnode->_next = _head;
            //_head->_prev = newnode;
        //也可以复用insert
            insert(end(), x);
        }

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

⑤列表的擦除函数erase

        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);
        }

⑥列表的头插和头删

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

        void pop_front()
        {
            erase(begin());
        }