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📖前言：
本章我们将学习STL中另一个重要的类模板vector…
- list是可以在常数范围内在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。
- 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。
- list与forward_list非常相似：主要区别在于forward_list对象是单链接列表，因此它们只能向前迭代，以换取更小、更高效。
- 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。
- 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，需要线性的时间开销
list的学习文档：👉 传送门
1. list的使用
我们学习的STL中的list是一种：带头双向循环链表。（带有哨兵位头结点的）
- 带头双向循环链表 – 链表中的最优设计
- 可以实现任意位置〇(1)的插入删除，只需要改前后的关系
1.1 list的初始化 + 迭代器的使用：
在我们使用list之前我们需要先包一下头文件#include< list >。
直接见代码：
尾插：
void test_list1()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
//正向迭代器
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//反向迭代器
//list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
auto rit = lt.rbegin();
while (rit != lt.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
}
头插：
void test_list2()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
lt.push_front(10);
lt.push_front(20);
lt.push_front(30);
lt.push_front(40);
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
lt.pop_back();
lt.pop_back();
lt.pop_front();
lt.pop_front();
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
list::push_back的使用方法和vector::push_back的使用方法一样。
1.2 对list的排序：
对于一般的容器而言，我们包一个算法库 #incldue < alogrithm > 可以对普通的容器进行排序。
void test_list2()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(4);
v.push_back(2);
v.push_back(4);
v.push_back(3);
sort(v.begin(), v.end());
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(4);
lt.push_back(2);
lt.push_back(4);
lt.push_back(3);
lt.sort();
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
- 像vector和string而言，这种连续的容器可以直接用库中的sort
- 而对于list而言和之前的顺序容器有所区别，因为其链式结构，库中的算法不支持
- list单独实现了一个自己的排序
- 但是list的排序效率很低
排序需用时间：
void TestOP()
{
srand(time(0));
const int N = 10000000;
vector<int> v;
v.reserve(N);
list<int> lt1;
list<int> lt2;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
//v.push_back(rand());
auto e = rand();
lt1.push_back(e);
lt2.push_back(e);
}
//拷贝到vector排序，排完以后再拷贝回来
int begin1 = clock();
for (auto e : lt1)
{
v.push_back(e);
}
sort(v.begin(), v.end());
size_t i = 0;
for (auto& e : lt1)
{
e = v[i++];
}
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
//sort(lt.begin(), lt.end());
lt2.sort();
int end2 = clock();
printf("vector Sort:%d\n", end1 - begin1);
printf("list Sort:%d\n", end2 - begin2);
}
注意：
可见把list的数据拷贝到vector中再，用sort算法对vector中排序，再将vector中的数据拷贝到list中都比直接用list排序要快，所以list的排序效率很低。
2. list的模拟实现（list.h）
2.1 链表结点的申请：
namespace bit
{
template<class T>
//结点
struct list_node
{
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
T _data;
list_node(const T& val = T())
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _data(val)
{}
};
//复用性很差
//单独实现一个类，支持不能修改迭代器指向结点的数据
//template<class T>
//struct __list_const_iterator;
//软件工程中很讲究复用原则 -- 尽量不去写重复的代码
//重复的代码不方便维护
//typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
//typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
2.2 用类封装迭list代器：
为了在上层用户使用迭代器的方式和使用原生指针迭代器一样，所以我们做了如下的操作。
- 用一个类将迭代器封装起来 – 来模拟指针的行为。
这样我们在上层使用上和普通迭代器的使用没有区别但是，底层是不一样的，实现了一个封装。
见如下代码：
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
//用来支持反向迭代器
typedef Ptr pointer;
typedef Ref reference;
Node* _node;
//list_node<const int>*
explicit __list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
//解引用 -- *it
//返回const别名的引用
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
//return &(operator*());0
return &_node->_data;
}
//前置++
self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//后置++
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
//前置--
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//后置--
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
bool operator!=(const self& it)
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it)
{
return _node == it._node;
}
};
注意：
- 析构函数（不需要写）-- 节点不属于迭代器，不需要迭代器释放
-
结点不是属于迭代器的，拿结点的指针构造迭代器
-
迭代器的目标是遍历链表，访问和修改这个链表
-
迭代器不能拿着结点的指针把链表的结点给释放了
-
- 编译器生成的默认析构函数，对内置类型不敢处理，只对自定义类型处理
-
- 因为指针不能乱释放
- 拷贝构造和赋值重载（不需要写）
- 默认生成的浅拷贝就可以
补充：
- 传引用返回和支持返回值修改
- 还可以减少拷贝构造
（1）对封装迭代器的使用：
1.为了使我们使用的时候更顺畅，更接近于平时的使用，我们将迭代器在list这个类中再次重命名。
- 这样我们在使用的过程中就可以这样使用： list::iterator it = lt.begin();
（2）运算符重载 - > ：
为什么这里返回的是一个地址呢？
那么这个时候一定有个疑问，为啥这时，不直接返回要取的值呢？
- 由上图可见，当list的链表中的结点数据内容不是内置类型数据时
- 上图中链表结点的数据是一个一个的对象，这时候传值返回就不行了
- 若是返回值的话，此时返回的是一个对象
解决办法：
- 方法一：（->操作符重载，传值返回，类内操作） 把类中的成员函数给改了，在类中再去调用一层
缺点： 不能广泛的用，不符合泛型编程的思维，要根据不同的场景改动。 - 方法二：（不重载->操作符，多次调用 . 操作符，类外操作） 在类外对象创建完成之后，拿到迭代器，在调用的时候（*it）对象用 “.” 操作符，一层一层调用去找到所需要的数据内容。
缺点： 当调用的层数多时，写起来很麻烦。 - 方法三：（->操作符重载，传迭代器返回，类外操作） 返回的是迭代器，再通过返回的迭代器调用->的运算符重载，和方法二一样，当调用的层数多时，写起来很麻烦。但是编译器对此进行了优化。
优化如下：
- it.operator->() – 返回类型是AA*的迭代器
- it.operator->()->_a1;
- 编译器为了可读性进行了优化处理
- 如果不优化应该是it->->_a1;
- 优化以后，省略了一个->
2.3 链表的资源管理：
这里我们实现的是带头双向循环链表，和之前我们数据结构中实现的结构一样，我们写起来更是轻车熟路了~
- 这里的拷贝构造和赋值重载都运用到了现代写法
- 和之前模拟实现容器的时候用到的现代方法一样
//list的实现：
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
//资源管理：
list()
{
_head = new Node();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
//拷贝构造传统写法：（创造一个哨兵位，挨个尾插）
//lt2(lt1)
/*list(const list<T>& lt)
{
_head = new Node();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}*/
//拷贝构造现代写法：（利用一个迭代器区间构造）
//创造一个哨兵位头结点出来
void empty_init()
{
_head = new Node();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
empty_init();
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
}
//lt2(lt1) -- 现代写法
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
swap(tmp);
}
//lt2 = lt1 -- 所有的深拷贝的赋值都可以这么写
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
//clear不是把数据清掉，大结构还在，没有清掉哨兵位
void clear()
{
//在成员函数内部不需要对象. 来访问
iterator it = begin();
while (it != end())
{
//erase就会往后走起到了迭代的作用
//这样写哨兵位还在
it = erase(it);
}
}
交换完之后，拷贝构造结束之后，tmp此时管理的是只有一个哨兵位的链表，tmp对象会被调用的析构函数销毁掉。
2.4 list的主要成员函数：
//迭代器：
//同样一个类模板，给不同的模板参数，就实例化不同的类型
//typedef的类型是受到作用域的限制的
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
//反向迭代器适配支持
/*typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
typedef Reverse_iterator<const_iterator, const T&, T*> const_reverse_iterator;*/
typedef Reverse_iterator<iterator> reverse_iterator;
typedef Reverse_iterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
//正向迭代器：
//正向迭代器和const修饰的迭代器
iterator begin()
{
//返回一个匿名对象，用匿名对象还能被优化成直接构造
return iterator(_head->_next);
//可以直接返回_head->_next
//因为单参数的构造函数支持隐式类型的转换
//return _head->_next;
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator begin() const
{
//返回一个匿名对象，用匿名对象还能被优化成直接构造
//list_node<int>
return const_iterator(_head->_next);
//可以直接返回_head->_next
//因为单参数的构造函数支持隐式类型的转换
//return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
//反向迭代器：
//反向迭代器和const修饰的反向迭代器
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
const_reverse_iterator rbegin() const
{
return reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend() const
{
return reverse_iterator(begin());
}
//增添和删除:
void push_back(const T& x)
{
//Node* tail = _head->_prev;
//Node* newnode = new Node(x);
_head tail newnode
//tail->_next = newnode;
//newnode->_prev = tail;
//newnode->_next = _head;
//_head->_prev = newnode;
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
//插入在pos位置之前
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
//pos是任意位置，也不需要检查 -- 断言
Node* newnode = new Node(x);
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
//prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
return iterator(newnode);
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
//prev next
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;
return iterator(next);
}
private:
Node* _head;
};
}
3. 迭代器失效的问题
- list insert迭代器不失效，不存在野指针的问题，也不存在意义变了的问题
- ist erase(it)以后，迭代器是会失效的
- 经典野指针失效，因为这个迭代器指向的结点，已经被释放了
void test_list5()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
lt.push_back(6);
要求：删除所有的偶数
list<int>::iterator it1 = lt.begin();
迭代器会失效
//auto it1 = lt.begin();
//while (it1 != lt.end())
//{
// if (*it1 % 2 == 0)
// {
// lt.erase(it1);
// }
// it1++;
//}
//list<int>::iterator it1 = lt.begin();
auto it1 = lt.begin();
while (it1 != lt.end())
{
if (*it1 % 2 == 0)
{
it1 = lt.erase(it1);
}
else
{
it1++;
}
it1++;
}
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
lt.clear();
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
lt.push_back(10);
lt.push_back(20);
lt.push_back(30);
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
当删除结点的时候，it迭代器指向的空间不存在了，此时再对这块空间解引用就会产生非法访问。
解决办法和之前vector容器迭代器失效时解决办法一样。
参考：
vector的使用和模拟实现：👉 传送门