10. C++STL详解list的使用以及模拟实现

一、list的使用介绍

list文档

1.1 list的定义

1.2 list iterator 的使用

【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

1.3 list的使用

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
using namespace std;
// list的构造
void TestList1()
{list<int> l1;                         // 构造空的l1list<int> l2(4, 100);                 // l2中放4个值为100的元素list<int> l3(l2.begin(), l2.end());  // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] = { 16,2,77,29 };list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));// 列表格式初始化C++11list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };// 用迭代器方式打印l5中的元素list<int>::iterator it = l5.begin();while (it != l5.end()){cout << *it << " ";++it;}       cout << endl;// C++11范围for的方式遍历for (auto& e : l5)cout << e << " ";cout << endl;
}
// list迭代器的使用
// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for
void PrintList(const list<int>& l)
{// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it){cout << *it << " ";// *it = 10; 编译不通过}cout << endl;
}void TestList2()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 使用正向迭代器正向list中的元素// list<int>::iterator it = l.begin();   // C++98中语法auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法while (it != l.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();auto rit = l.rbegin();while (rit != l.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;
}
// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{int array[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 在list的尾部插入4，头部插入0L.push_back(4);L.push_front(0);PrintList(L);// 删除list尾部节点和头部节点L.pop_back();L.pop_front();PrintList(L);
}// insert /erase 
void TestList4()
{int array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));// 获取链表中第二个节点auto pos = ++L.begin();cout << *pos << endl;// 在pos前插入值为4的元素L.insert(pos, 4);PrintList(L);// 在pos前插入5个值为5的元素L.insert(pos, 5, 5);PrintList(L);// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素vector<int> v{ 7, 8, 9 };L.insert(pos, v.begin(), v.end());PrintList(L);// 删除pos位置上的元素L.erase(pos);PrintList(L);// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素L.erase(L.begin(), L.end());PrintList(L);
}// resize/swap/clear
void TestList5()
{// 用数组来构造listint array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));PrintList(l1);// 交换l1和l2中的元素list<int> l2;l1.swap(l2);PrintList(l1);PrintList(l2);// 将l2中的元素清空l2.clear();cout << l2.size() << endl;
}

1.4 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。

错误的写法：

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);}
}

二、list的模拟实现

2.1 ListNode节点的定义

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

2.2 list 的正向迭代器

迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：

1. 原生态指针，比如：vector
2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法
   1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
   2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
   3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
   4. 至于operator–()/operator–(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载
   5. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

这里实现我一个list_iterator由于const的迭代器也需要另外写，相同的代码就重复了

这里就可以写一个模板：

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

2.3 list 反向迭代器的实现

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
{// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
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;
};

2.4 list 的实现

template<class T>
class list
{typedef ListNode<T> Node;
public:typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_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);}/// <summary>/// 构造与析构/// </summary>void empty_init(const T& val = T()) {_head = new Node(val);_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}list(){empty_init();}list(const T& val){empty_init(val);}list(size_t n, const T& val){empty_init();for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}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;}list(initializer_list<T> lt) {empty_init();for (auto& e : lt) {push_back(e);}}void clear() {iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}size_t size() const {return _size;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}/// <summary>/// 增删查改/// </summary>void insert(iterator pos, const T& val) {Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;++_size;}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;cur = nullptr;--_size;return iterator(next);}void push_back(const T& val) {insert(end(), val);}void push_front(const T& val) {insert(begin(), val);}void pop_back() {erase(--end());}void pop_front() {erase(begin());}private:Node* _head;size_t _size;
};