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[数据结构与算法]【C++】list的使用和模拟实现

一、list的使用

1. 介绍

双向链表+双向迭代器

2. 迭代器

因为是双向迭代器，试试正反遍历

正向遍历

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

void test1()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	list<int>::iterator it = lt.begin();

	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it;
		it++;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : lt)
	{
		cout << e;
	}
	cout << endl;

}

测试结果：

反向遍历

//反向遍历
void test2()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	list<int>::reverse_iterator it = lt.rbegin();

	while (it != lt.rend())
	{
		cout << *it;
		it++;
	}
	cout << endl;


}

测试结果：

3. remove查找移除

找到对应数字并且删除

4. 删除重复

去重之前先排序，只会把连续重复的删除

5. 排序

但是因为是链表效率不高

6. 逆序

7. 粘合

二、模拟实现list

1. 准备框架

#pragma once
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

namespace wyj
{
    //提供每个节点的属性
    //类模板
	template<class T>
	struct ListNode
	{
        //双向循环链表
        //包含元素，前一个节点地址，后一个节点地址
		ListNode<T>* _prev;
		ListNode<T>* _next;
		T _date;
	};
    
	template<class T>
	class list
	{
        //在我的这个类（list）里面换个称呼
		typedef ListNode<T> Node;

	public:

	private:
		Node* _head;
	};


}

2. 构造/拷贝构造/赋值重载

节点的构造函数

template<class T>
struct ListNode
{
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;
//链表的初始化，先创建一个节点，头和尾都是自己
		ListNode(const T& date = T())//T的匿名对象
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(data)
		{}
};

list构造函数

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

迭代器区间构造

// list<Date> lt1(5, Date(2022, 3, 15));
// list<int> lt2(5, 1);优先和Input匹配，因为类型相同

//list(size_t n, const T& val = T())
list(int n, const T& val = T())
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	while (first != last)
    {
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

拷贝构造

		// lt2(lt1)
		//list(const list<T>& lt)
		//{
		//	_head = new Node();
		//	_head->_next = _head;
		//	_head->_prev = _head;

		//	for (auto e : lt)
		//	{
		//		push_back(e);
		//	}
		//}

		 lt2 = lt1
		//list<T>& operator=(const list<T>& lt)
		//{
		//	if (this != &lt)
		//	{
		//		clear();
		//		for (auto e : lt)
		//		{
		//			push_back(e);
		//		}
		//	}

		//	return *this;
		//}


// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
    //直接swap会把随机值给lt，在clear会出问题
	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
	std::swap(_head, tmp._head);//这里需要深拷贝
}

// lt2 = lt1
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	std::swap(_head, lt._head);
	return *this;
}

3. push_back

//插入
void push_back(const T& x)
{
	Node* newnode = new Node(x);
	Node* tail = _head->_prev;
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	_head->_prev = newnode;
	newnode->_next = _head;
}

测试前问题

没有迭代器，后面会解释

4. 迭代器

迭代器需要这样的模板

list<int>::iterator it = lt.begin();

while(it != lt.end())
{
    cout << *it;
    it++;
}

这里因为是链表，没法实现++

但我们可以重载运算符

可以看的出来 iteration 是一个自定义类型

template<class T>
struct __list_iterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef __list_iterator<T> iterator;

	//成员
	Node* _node;

	//构造函数
	__list_iterator(Node* x)
		:_node(x)
	{}

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

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

	T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
    
    bool operator!=(const iterator& x)
	{
		return x._node != _node;
	}
};

list里迭代器

//begin
iterator begin()
{
	return iterator(_head->_next);
}
//不是->prev是因为，迭代器是右边是开区间，不能是最后一个数
//end
iterator end()
{
	return iterator(_head);
}

最终测试：

这里不需要拷贝构造、赋值重载、析构函数

因为默认生成的就可以。

5. 迭代器优化

当遇到

void print(const list<int> v)
{
    //如何去用迭代器
}

需要迭代器访问只可读不可写

观察迭代器，看哪里需要修改，

list<int>::iterator it = lt.begin();

while(it != lt.end())
{
    cout << *it;
    it++;
}

出现权限放大问题

注意区分：self是类模板(迭代器(类))，T、Ref是(元素的)类型

//两个不同的模板参数
template<class T, class Ref>
struct __list_iterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref> self;
	//成员
	Node* _node;

	//构造函数
	__list_iterator(Node* x)
		:_node(x)
	{}

	//运算符重载
	//++it
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

	//it++
	self operator++(int)//占位参数
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}

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

	//it--
	self operator--(int)//占位参数
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}

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

	bool operator!=(const self& x)
	{
		return x._node != _node;
	}

	bool operator==(const self& x)
	{
		return !(*this != x);
	}
};

template<class T>
class list
{
	typedef ListNode<T> Node;
		
public:
	//外面使用的时候分普通和const的迭代器，所以需要区分两个类型，但T是必须有的类型，无论用或者不用const的迭代器
	typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
	typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;
	//begin
	iterator begin()
	{
		return iterator(_head->_next);
	}

	const_iterator begin()const
	{
		return const_iterator(_head->_next);
	}
		//不是->prev是因为，迭代器是右边是开区间，不能是最后一个数
		//end
	iterator end()
	{
		return iterator(_head);
	}

	const_iterator end()const
	{
		return const_iterator(_head);
	}
	
private:
	Node* _head;
};

测试：

6. 流提取对于自定义类型不支持问题

struct Date
{
	Date(int year = 1, int month = 2, int day = 3)
		:_year(year),
		_month(month),
		_day(day)
	{}

	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

void test1()
{
	list<Date> lt;
	lt.push_back(Date(1, 2, 3));
	lt.push_back(Date(1, 2, 3));
	lt.push_back(Date(1, 2, 3));
	lt.push_back(Date(1, 2, 3));

	list<Date>::iterator it = lt.begin();

	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it;
		it++;
	}
}

除了直接访问

还可以通过

it->_day;
//但目前还不支持，我们自己写一个

//->前面是指针
T* operator->()
{
	return &_node->_data;
}

本来这里_node->_date,已经是_date，再取地址，返回的是date*
外面 it->_day; 按道理说应该是 it.operator->()->_day
    it->->_day;但编译器合二为一优化了

7. 插入相关函数

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

void push_back(const T& x)
{
	/*Node* tail = _head->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;*/

    insert(end(), x);
}

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

void pop_front()
{
	erase(begin());
}
// 这里insert以后，pos是否失效？不失效
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);

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

	return iterator(newnode);
}

// 这里erase以后，pos是否失效？一定失效
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());

	Node* prev = pos._node->_prev;
	Node* next = pos._node->_next;
	delete pos._node;
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;

	return iterator(next);
}

8. 析构函数

~list()
{
	clear();

	delete _head;
	_head = nullptr;
}

void clear()
{
	/*iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		iterator del = it++;
		delete del._node;
	}

	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;*/
    iterator it = begin();
    while (it != end())
    {
		erase(it++);
	}
}

9. 反向迭代器

反向迭代器实现，重新写一个反向迭代器的类

它的成员是一个正向的迭代器，通过使用正向迭代器的某些功能完成反向迭代器的功能。

#pragma once

namespace bit
{
	// Iterator是哪个容器的迭代器，reverse_iterator<Iterator>就可以
	// 适配出哪个容器的反向迭代器。复用的体现
	template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
	class reverse_iterator
	{
		typedef reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> self;
	public:
		reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}

		Ref operator*()
		{
			//return *_it;
			Iterator prev = _it;
			return *--prev;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &operator*();
		}

		self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}

		self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}

		bool operator!= (const self& rit) const
		{
			return _it != rit._it;
		}

	private:
		Iterator _it;
	};
}

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;
//反向迭代器的typedef
    //这里const和普通的反向迭代器typedef反过来会报错
		typedef reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
		typedef reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
    
    	reverse_iterator rbegin()
		{
		return reverse_iterator(end());
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}

}；

三、list和vector、string作对比

vector缺陷:
连续的物理空间，是优势，也是劣势。
优势:支持高效随机访问。
劣势:
1、空间不够要增容，增容代价比较大。
2、可能存在一定空间浪费。按需申请,会导致频繁
增容，所以一般都会2倍左右扩容。
3、头部或者中部插入删除需要挪动数据，效率低下

list很好的解决vector的以上问题:
1、按需申请释放空间。
2、list任意位置支持O(1)插入删除。
本质vector和list是互补两个数据结构