【C++】list介绍以及模拟实现（超级详细）

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前言

string vector的是存储是基于物理空间上连续的，而list是作为线性的链式结构，是值得学习的。

list介绍

• std::list是C++标准模板库（STL）中的一个容器适配器，它内部实现为双向链表结构。
• 这种设计使得std::list能够在常数时间内进行任意位置的插入和删除操作，这是其相对于其他序列容器如std::vector的显著优点。
• std::list不支持随机访问，即无法直接通过索引来访问容器中的元素，这通常需要从头部或尾部开始迭代到目标位置.

标准库容器 std::list 与 std::vector 的优缺点

• std::list: 作为一个双向链表，std::list 在插入和删除操作上具有优势，因为这些操作只涉及到改变相邻节点的指针，而不需要移动其他元素。此外，std::list 不需要预分配额外的内存，可以更好地处理动态内存分配，减少内存碎片.
• std::vector: 作为一个动态数组，std::vector 提供了高效的随机访问能力，可以通过下标直接访问任意位置的元素，其访问效率为 O(1). 此外，std::vector 通常具有较高的空间利用率和缓存友好性，因为其元素在内存中是连续存储的.

缺点

• std::list: 由于非连续的内存存储，std::list 在访问元素时效率较低，因为可能需要从头开始遍历链表。此外，每个节点都需要存储额外的指针信息，这增加了内存开销.
• std::vector: 在 std::vector 的中间位置插入或删除元素可能会引起大量元素的移动，以维持内存的连续性，这会导致较差的性能。当 std::vector 的容量不足以容纳新增元素时，还需要进行动态扩容，这是一个成本较高的操作

	vector	list
底层 结构	动态顺序表，一段连续空间	带头结点的双向循环链表
随 机 访 问	支持随机访问，访问某个元素效率O(1)	不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N)
插 入 删 除	任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素， 时间复杂度为O(N)，插入时有可能需要增容， 增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低	任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元 素，时间复杂度为 O(1)
插 入 删 除	底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高	底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低
迭 代 器	原生态指针	对原生态指针(节点指针)进行封装
迭 代 器 失 效	在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效	插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代 器失效，其他迭代器不受影响
使 用 场 景	需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率	大量插入和删除操作，不关心随 机访问

list的基本操作

构造函数

【C++】vector介绍以及模拟实现	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)	用[first, last)区间中的元素构造list

list iterator

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

list capcacity

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

list modify

函数声明	接口说明
push_front	在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	在list尾部插入值为val的元素
pop_back	删除list中最后一个元素
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

list模拟实现

存贮结构（双向带头循环）

• 定义一个类（C语言：结构体）存储数据，作为指向下一个上一个的节点

namespace MyList
{//LIst节点template<class T>struct _list_node{_list_node<T>* _next;_list_node<T>* _prev;T _val;_list_node(const T& val = T()): _next(nullptr), _prev(nullptr), _val(val){}};
}

iterator

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 string
• 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. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

iterator结构

• 三个模板参数
  1. 第一个模板参数控制类型
  2. 第二个模板参数控制返回值类型const 非const
  3. 第三个模板参数控制返回的list类的类型const 非const
• Node* _node;需要定义一个指针，指向list节点

template<class T,class Ref,class ptr>struct _list_iterator{typedef _list_node<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref,ptr> self;Node* _node;};

operator!= operator ==

//重载operator!=
bool operator!=(const self& it)const 
{return _node != it._node;
}
//重载operator==
bool operator==(const self& it)const
{return _node == it._node;
}

operator++

//重载operator++(前置)
self& operator++()
{_node = _node->_next;return *this;
}
//重载operator++(后置)
self& operator++(int)
{self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;
}

operator--

//重载operator--(前置)
self& operator--()
{_node = _node->_prev;return *this;
}
//重载operator--(后置)
self& operator--(int)
{self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;
}

operator* operator->

//重载operator*
Ref& operator* ()
{return _node->_val;
}
//重载operator->
ptr operator->()
{return _node->_val;
}

list数据结构

构造函数

list的初始化

• 双向带带头循环

//空list初始化
void empty_init()
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;
}

节点初始化

• 默认构造函数
• 默认构造函数
• 用迭代器初始化
• 拷贝构造函数
• 赋值运算符重载
• 赋值运算符重载

//默认构造函数
list()
{empty_init();
}
//默认构造函数
list(int n, const T& val = T())
{empty_init();while (n--){push_back(val);}}
//用迭代器初始化
template <class Iterator>list(Iterator first, Iterator last)
{empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}
}
//拷贝构造函数
list(const list<T>& lt)
{empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}
}
//赋值运算符重载
list<T> operator=(list<T> lt)
{swap(lt);return *this;
}
//赋值运算符重载
~list()
{clear();delete _head;
}

迭代器

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

list modify

insert

• 在pos位置插入节点，同数据结构是一样的，在这里面不过多赘述（可以参考）

//insert
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{Node* newcode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newcode;newcode->_prev = prev;newcode->_next = cur;cur->_prev = newcode;++_size;return pos;
}

erase

• 删除迫使位置的节点，同样（可以参考）

//erase
iterator erase(iterator pos)
{assert(pos._node != _head);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;--_size;return next;
}

头插、头删、尾插、尾删

• 可以复用insert ersae STL标准模板库也是进行复用

// 头插
void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}
//头删
void pop_front()
{erase(begin());
}
//尾插
void push_back(const T& x)
{insert(begin());
}
//尾删
void pop_back()
{erase(--end());
}

list operator

交换

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

clear

• 析构函数也是利用了clear

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

源码

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>namespace MyList
{//节点template<class T>struct _list_node{_list_node<T>* _next;_list_node<T>* _prev;T _val;_list_node(const T& val = T()): _next(nullptr), _prev(nullptr), _val(val){}};//迭代器template<class T,class Ref,class ptr>struct _list_iterator{typedef _list_node<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref,ptr> self;Node* _node;_list_iterator (Node* node):_node(node){}//重载operator*Ref& operator* (){return _node->_val;}//重载operator->ptr operator->(){return _node->_val;}//重载operator++(前置)self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//重载operator++(后置)self& operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//重载operator--(前置)self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//重载operator--(后置)self& operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}//重载operator!=bool operator!=(const self& it)const {return _node != it._node;}//重载operator==bool operator==(const self& it)const{return _node == it._node;}};//listtemplate<class T>class list{typedef _list_node<T> Node;public:typedef _list_iterator<T, T&,T*> iterator;typedef _list_iterator<T, const T&,const T*> const_iterator;//空list初始化void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}//用n个val初始化list(int n, const T& val = T()){empty_init();while (n--){push_back(val);}}//用迭代器初始化template <class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}}//默认构造函数list(){empty_init();}//拷贝构造函数list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}}//赋值运算符重载list<T> operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}//析构函数~list(){clear();delete _head;}//删除void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);++it;}}//迭代器iterator begin(){return _head->_next;}iterator end(){return _head;}const_iterator begin()const{return _head->_next;}const_iterator end()const{return _head;}//void push_back(const T& x)//{//	Node* newcode = new Node(x);//	Node* tail = _head->_prev;//	tail->_next = newcode;//	newcode->_next = _head;//	newcode->_prev = tail;//	_head->_prev = newcode;//	++_size;//}// 头插void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}//头删void pop_front(){erase(begin());}//尾插void push_back(const T& x){insert(begin());}//尾删void pop_back(){erase(--end());}//insertiterator insert(iterator pos, const T& x){assert(pos._node != _head);Node* newcode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newcode;newcode->_prev = prev;newcode->_next = cur;cur->_prev = newcode;++_size;return pos;}//eraseiterator erase(iterator pos){assert(pos._node != _head);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;--_size;return next;}//大小size_t size()const{return _size;}//交换void swap(list<T> lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}private:Node* _head;size_t _size;};}