【C++】List

本节目标
1.list的介绍及使用
2.list的深度剖析及模拟实现
3.list与vector的对比
4.本节习题

1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list的文档介绍
1.list是可以在常数范围内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）。

1.2 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。

1.2.1 list的构造

构造函数（constructor）	接口说明
list()	构造空的list
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(const list& x)	拷贝构造函数
list(InputIterator first, InputIterator last)	用[first, last)区间中的元素构造list

// constructing lists
#include <iostream>
#include <list>int main()
{std::list<int> l1;	// 构造空的l1std::list<int> l2 (4, 100);  // l2中放4个值为100的元素std::list<int> l3 (l2.begin(), l2.end()); //用l2的[begin(), end())左闭右开的区间构造l3std::list<int> l4(l3);    // 用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int arrat[] = {16, 2, 77, 99};std::list<int> l5(array, array + sizeof(array)/sizeof(int));// 用迭代器方式打印l5中的元素for(std::list<int>::iterator it = l5.begin(); it != l5.end(); it++)std::cout << *it << " ";std::cout<<endl;return 0;
}

1.2.2 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。

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，即end位置，+返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator，即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

#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>void print_list(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;
}
int main()
{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打印list中的元素for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)cout << *it << " ";cout << endl;// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素for (list<int>::reverse_iterator it = l.rbegin();++it)cout << *it << " ";cout << endl;return 0;

1.2.3 list capacity

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

1.2.4 list element access

函数声明	接口说明
front	返回list中第一个节点的值的引用
back	返回list的最后一个节点的值的引用

1.2.5 list modifiers

函数声明	接口说明
push_front	在list首元素前插入值为val的元素（头插）
pop_front	删除list中第一个元素（头删）
push_back	在list尾部插入值为val的元素（尾插）
push_back	删除list中最后一个元素（尾删）
insert	在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

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;void PrintList(list<int>& l)
{for(auto& e : l)cout << e << " ";cout << endl;
}// ================================
// push_back / pop_back / push_front / pop_ front
void TestList1()
{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 TestList3()
{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()]之间的元素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 TestList4()
{// 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l1.swap(l2);PrintList(l1);PrintList(l2);// 将l2中的元素清空l2.clear();cout << l2.size() << endl;
}
// list还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

1.2.6 list的迭代器失效

前面说过，此处可以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的底层结构是带头节点的双向循环链表，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()){l.erase(it);++it;}
}
// ========================================
// 改正
void TestListIterator()
{int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};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);}
}	

2.list的模拟实现

2.1 模拟实现list

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

namespace sxc
{// List的节点类template<calss T>struct ListNode{ListNode(const T& val = T()): _pPre(nullptr), _pNext(nullptr), _val(val){}ListNode<T>* _pPre;ListNode<T>* _pNext;T _val;};/*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；1.原生态指针，比如：vector2.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：2.1指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()2.2指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载operator->()2.3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--2.4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, classPtr>class ListIterator{typedef ListNode<T>* PNode;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;public:ListIterator(PNode pNode = nullptr): _pNode(pNode){}ListIterator(const Self& l): _pNode(l._pNode){}T& operator*() {return _pNode -> _val;}T* operator->() {return &(operator*());}Self& operator++(){_pNode = _pNode -> _pNext;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);_pNode = _pNode -> _pNext;return tmp;}Self& operator--();Self& operator--(int);bool operator != (const Self& l) {return _pNode != l._pNode;}bool operator == (const Self& l) {return _pNode == l._pNode;}PNode _pNode;};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;typedef Node* PNode;public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;public://// List的构造list(){CreateHead();}list(int n, const T& value = T()){CreateHead();for (int i = 0; i < n; ++i)push_back(value);}template <class Iterate>list(Iterate first, Iterate last){CreateHead();while(first != last){push_back(*first);++first;}}list(const list<T>& l){CreateHead();// 用l中的元素构造临时的temp，然后与当前对象交换list<T> temp(l.cbegin(), l.cend());this -> swap(temp);}list<T>& operator=(const list<T> l){this -> swap(l);return *this;}~list(){clear();delete _pHead;_pHead = nullptr;}//// List Iteratoriterator begin() {return iterator (_pHead -> _pNext);}iterator end(){return iterator (_pHead);}const_iterator begin(){return const_iterator(_pHead->_pNext);}const_iterator end(){return const_iterator(_pHead);}///// List Capacitysize_t size()const;bool empty()const;// List AccessT& front();const T& front()const;T& back();const T& back()const;// List Modfyvoid push_back(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_back() {erase(--end());}void push_front(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_front(){erase(begin());}// 在pos位置前插入值为val的节点iterator insert(iterator pos, const T& val){PNode pNewNode = new Node(val);PNode pCur = pos._pNode;// 先将新节点插入pNewNode -> _pPre = pCur -> _pPre;pNewNode -> _pNext = pCur;pNewNode -> _pPre -> _pNext = pNewNode;pCur -> _pPre = pNewNode;return iterator(pNewNode);}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置