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list
1. list的介绍及使用
1.1 list的介绍
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：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。
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，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的接口
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 (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 |
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】
begin 与 end 为正向迭代器，对迭代器执行 ++ 操作，迭代器向后移动
**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
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的第一个节点中值的引用 |
| back | 返回list的最后一个节点中值的引用 |
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 |
| 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中还有一些操作，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，此处大家可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 func()
{
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 func()
{
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);
}
}
2. list接口实现
2.1 push_back
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void test_list()
{
list<int> It;
It.push_back(1);
It.push_back(2);
It.push_back(3);
It.push_back(4);
It.push_back(5);
list<int>::iterator it = It.begin();
while(it != It.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for(auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_list();
return 0;
}
list既然遵循迭代器，那也必然可以使用范围for。
示例结果：
2.2 reverse
reverse表示链表的逆置。
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void test_list()
{
list<int> It;
It.push_back(1);
It.push_back(2);
It.push_back(3);
It.push_back(4);
It.push_back(5);
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
It.reverse(); //链表逆置
for(auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_list();
return 0;
}
演示结果：
2.3 sort
sort接口默认是升序排序。
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void test_list()
{
list<int> It;
It.push_back(1);
It.push_back(2);
It.push_back(3);
It.push_back(4);
It.push_back(5);
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
It.reverse();
for(auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
It.sort();
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_list();
return 0;
}
演示结果：
当然sort也可以在迭代器范围之间排序：sort（ It.begin() , It.end() ) 。
如果想降序排序，需要用到一个仿函数greater。
降序排序：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void test_list()
{
list<int> It;
It.push_back(1);
It.push_back(2);
It.push_back(3);
It.push_back(4);
It.push_back(5);
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
greater<int> gt;
It.sort(gt); //两句可以合并写为： It.sort(greater<int>());
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_list();
return 0;
}
降序结果：
2.4 remove
remove可以直接删除指定的数值。
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void test_list()
{
list<int> It;
It.push_back(1);
It.push_back(3);
It.push_back(2);
It.push_back(3);
It.push_back(4);
It.push_back(3);
It.push_back(5);
It.push_back(3);
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
It.remove(3);
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_list();
return 0;
}
演示结果：
可以看到，remove可以删除所有指定的值，包括重复的数值。
如果remove一个不存在的数值，则没有任何反应，程序正常执行后续代码。
2.5 splice
splice指转移，可以将一个链表的值转移到另一个链表里。
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void test_list()
{
list<int> mylist1, mylist2;
list<int>::iterator it;
for(int i = 1; i <= 4; ++i)
{
mylist1.push_back(i); //1 2 3 4
}
for(int i = 1; i <= 3; ++i)
{
mylist2.push_back(i * 10); //10 20 30
}
cout << "splice之前:" << endl;
cout << "mylist1: ";
for(auto e : mylist1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "mylist2: ";
for (auto e : mylist2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
it = mylist1.begin();
++it; //it指向mylist1中2的位置
mylist1.splice(it, mylist2); //把mylist2转移到it指向位置的前面
cout << "splice之后:" << endl;
cout << "mylist1: ";
for (auto e : mylist1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "mylist2: ";
for (auto e : mylist2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_list();
return 0;
}
示例结果：
从结果得知，转移意思就是直接把节点取走放到目标对象上！！！
如果指向转移某一个区间的值，则可以如下编写：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void test_list()
{
list<int> mylist1, mylist2;
list<int>::iterator it;
for(int i = 1; i <= 4; ++i)
{
mylist1.push_back(i); //1 2 3 4
}
for(int i = 1; i <= 3; ++i)
{
mylist2.push_back(i * 10); //10 20 30
}
cout << "splice之前:" << endl;
cout << "mylist1: ";
for(auto e : mylist1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "mylist2: ";
for (auto e : mylist2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
it = mylist1.begin();
++it; //it指向mylist1中2的位置
mylist1.splice(it, mylist2, ++mylist2.begin(), mylist2.end()); //此处修改
//从begin后一个位置开始（第二个位置）后的节点转移到目标链表中
cout << "splice之后:" << endl;
cout << "mylist1: ";
for (auto e : mylist1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
cout << "mylist2: ";
for (auto e : mylist2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
test_list();
return 0;
}
演示结果：
3.list模拟实现
list定义新节点的函数为：list_node<typedef>
迭代器的定义：__list_iterator<typedef>
lish.h 内容：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
#include <vector>
namespace pzh
{
template <class T>
struct list_node // 定义
{
T _data;
list_node<T> *_next;
list_node<T> *_prev;
list_node(const T &x = T()) // T不一定是int，需要给个匿名对象 // 构造函数
: _data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr)
{
}
};
template <class T, class Ref, class Ptr> // 充当 Ref=T& Ptr=T*
struct __list_iterator // 迭代器
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
Node *_node;
__list_iterator(Node *node) // 构造
: _node(node)
{
}
self &operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self &operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
bool operator!=(const self &s)
{
return _node != s._node;
}
bool operator==(const self &s)
{
return _node == s._node;
}
};
// template <class T>
// struct __list_const_iterator // const迭代器
// {
// typedef list_node<T> Node;
// typedef __list_const_iterator<T> self;
// Node *_node;
// __list_const_iterator(Node *node) // 构造
// : _node(node)
// {
// }
// self &operator++()
// {
// _node = _node->_next;
// return *this;
// }
// self &operator--()
// {
// _node = _node->_prev;
// return *this;
// }
// self operator++(int)
// {
// self tmp(*this);
// _node = _node->_next;
// return tmp;
// }
// self operator--(int)
// {
// self tmp(*this);
// _node = _node->_prev;
// return tmp;
// }
// const T &operator*()
// {
// return _node->_data;
// }
// const T *operator->()
// {
// return &_node->_data;
// }
// bool operator!=(const self &s)
// {
// return _node != s._node;
// }
// bool operator==(const self &s)
// {
// return _node == s._node;
// }
// };
template <class T>
class list // 类
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T, T &, T *> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T &, const T *> const_iterator;
// typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}
void empty_init() // 置空初始化
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list()
{
empty_init();
}
list(const list<T> &It)
{
empty_init();
for (auto e : It)
{
push_back(e);
}
}
void swap(list<T> &It)
{
std::swap(_head, It._head);
std::swap(_size, It._size);
}
list<int> &operator=(list<int> &It) // It3(this = It3) = It1 (It1 = It)
{
swap(It);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
void push_back(const T &x)
{
insert(end(), x);
}
void push_front(const T &x)
{
insert(begin(), x);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
iterator insert(iterator pos, const T &x) // 插入新节点x
{
Node *node = pos._node;
Node *newnode = new Node(x);
Node *prev = node->_prev;
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = node;
node->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);
}
iterator erase(iterator pos) // 删除节点
{
Node *node = pos._node;
Node *prev = node->_prev;
Node *next = node->_next;
delete node;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
--_size;
return iterator(next);
}
size_t size()
{
return _size;
}
private:
Node *_head;
size_t _size;
};
void test_list1()
{
list<int> It;
It.push_back(1);
It.push_back(2);
It.push_back(3);
It.push_back(4);
It.push_back(5);
list<int>::iterator it = It.begin();
while (it != It.end())
{
cout << *it << endl;
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : It)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_list2()
{
list<int> It1;
It1.push_back(1);
It1.push_back(2);
It1.push_back(3);
It1.push_back(4);
It1.push_back(5);
cout << "It1: ";
for (auto e : It1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
list<int> It2;
cout << "拷贝前It2: ";
for (auto e : It2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
It2 = It1; // 拷贝构造
cout << "拷贝后It2: ";
for (auto e : It2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
struct AA
{
AA(int a1 = 0, int a2 = 0)
: _a1(a1), _a2(a2)
{
}
int _a1;
int _a2;
};
void test_list3()
{
list<AA> It;
It.push_back(AA(1, 1));
It.push_back(AA(2, 2));
It.push_back(AA(3, 3));
It.push_back(AA(4, 4));
list<AA>::iterator it = It.begin();
while (it != It.end())
{
// cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << endl;
cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl; // 迭代器不支持箭头，需要重载
++it;
}
}
const
// 只能输出int
void print_list(const list<int> &It)
{
list<int>::const_iterator it = It.begin();
while (it != It.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
// for(auto e : It)
// {
// cout << e << " ";
// }
// cout << endl;
}
// 可以输出list的任意类型
template <typename T> // T没有实例化 //先实例化
// template <class T> // 直接编译不通过
void print_list(const list<T> &It)
{
// list<T>::const_iterator it = It.begin(); //直接编译不通过
/* list<T>未实例化的类模板，比那一其不能去它里面去找
编译器就无法list<T>::const_iterator是内嵌类型，还是静态成员变量
前面加一个typename就是告诉编译器，这里是一个类型，等list<T>实例化再去类里面去取*/
typename list<T>::const_iterator it = It.begin(); // 不加typename，list<T>没有实例化
while (it != It.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
// 可以输出任意容器的类型
template <typename Container>
void print_Container(const Container &con)
{
typename Container::const_iterator it = con.begin();
while (it != con.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
void test_list4()
{
list<int> It;
It.push_back(1);
It.push_back(2);
It.push_back(3);
It.push_back(4);
It.push_back(5);
//print_list(It);
print_Container(It);
list<string> It1;
It1.push_back("s");
It1.push_back("o");
It1.push_back("l");
It1.push_back("i");
It1.push_back("t");
It1.push_back("y");
//print_list(It1);
print_Container(It1);
vector<string> It2;
It2.push_back("p");
It2.push_back("z");
It2.push_back("h");
print_Container(It2);
}
}
main.cpp 内容 ：
#include "list.h"
int main()
{
pzh::test_list1();
pzh::test_list2();
pzh::test_list3();
pzh::test_list4();
return 0;
}
4. list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：
| 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 和 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) |
| 空 间 利 用 率 | 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 |