C++STL~~list

一、list的概念

list 是一种容器，实现了双向链表结构
它具有以下特点：

• 动态大小，可按需增减元素数量。
• 高效的插入和删除操作，在任意位置插入和删除元素时间复杂度为 O (1)。但随机访问元素较慢，时间复杂度为 O (n)。
• 提供双向迭代器，方便遍历、访问和修改元素。
• 不支持随机访问，访问特定位置的元素需要通过迭代器逐步遍历，时间复杂度为线性。
  总之，list适用于需要频繁进行插入和删除操作，而对随机访问要求不高的场景。
• 常见操作包括元素访问（如 front ()、back ()）、插入（如 push_front ()、push_back ()、insert ()）、删除（如 pop_front ()、pop_back ()、erase ()）以及获取大小（size ()）和判断是否为空（empty ()）等。
• 

二、list的使用

list的构造

// 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 iterator的使用

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

迭代器的类型

// 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 capacity

list element access

list modifiers

// 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;
}

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。

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);}
}

三、list的练习

模拟实现list的迭代器
List 的迭代器
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：

• 原生态指针，比如：vector
• 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：
  指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator()
  • 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->()
  • 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
    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
  • 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

template<class T, class Ref, class Ptr>class ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到public:typedef Ref Ref;typedef Ptr Ptr;public://// 构造ListIterator(Node* node = nullptr): _node(node){}//// 具有指针类似行为Ref operator*() { return _node->_val;}Ptr operator->() { return &(operator*()); }//// 迭代器支持移动Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);_node = _node->_next;return temp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);_node = _node->_prev;return temp;}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{ return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l)const{ return _node != l._node;}Node* _node;};

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

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;};

list的反向迭代器
通过前面知道，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;
};

四、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：

五、总结

• 容器特点
  list是一种双向链表容器，具有以下显著特点：
  • 动态性强：可以根据需要随时添加或删除元素，无需担心预先分配固定大小的内存问题。
    插入和删除高效：在链表的任意位置进行插入和删除操作的时间复杂度为常数级别，这使得它在频繁进行此类操作的场景下表现出色。
  • 迭代灵活：提供双向迭代器，可方便地进行正向和反向遍历。但不支持随机访问，访问特定位置的元素相对较慢。
• 适用场景
  • 频繁插入和删除：当需要在容器中频繁地进行插入和删除操作时，list是一个很好的选择。例如，在实现一些数据结构（如栈、队列）或者处理动态变化的数据集合时。
  • 顺序访问：如果主要是按照顺序访问元素，而不是随机访问，list可以满足需求。比如，依次处理一系列数据，而不需要直接跳到特定位置的元素。
• 与其他容器对比
  与 C++ 中的其他容器（如vector、array等）相比：
  • 与vector：vector支持随机访问，但其在插入和删除元素时，可能需要移动大量元素，时间复杂度可能较高。而list在插入和删除方面更高效，但随机访问能力较弱。
  • 与array：array大小固定，不具备动态性。list则可以根据需要动态调整大小。

总之，C++ 中的list是一种功能强大的容器，在特定的场景下能够发挥出很大的优势。