【C++】STL — List的接口讲解 +详细模拟实现

前言：
本章我们将学习STL中另一个重要的类模板list…

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的底层是带头双向循环链表结构，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是带哨兵位头节点的双向循环链表,
在list中进行插入节点不会导致list的迭代器失效,
只有删除节点时才会出现失效问题，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器,会有野指针问题，其他迭代器不受影响

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 >
在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <list>int main ()
{// constructors used in the same order as described above:std::list<int> first;                                // empty list of intsstd::list<int> second (4,100);                       // four ints with value 100std::list<int> third (second.begin(),second.end());  // iterating through secondstd::list<int> fourth (third);                       // a copy of third// the iterator constructor can also be used to construct from arrays:int myints[] = {16,2,77,29};std::list<int> fifth (myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int) );return 0;
}

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

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）

在这里插入图片描述

2.1 链表结点的申请：

namespace Joker
{//list的节点类template<class T>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){}};

注意：

- 默认生成的析构函数够用。

2.2 用类封装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：vector
1. 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)
    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–
  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, class Ptr>class ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr>Self;public:// 构造ListIterator(Node* node = nullptr): _node(node){}// 具有指针类似行为Ref operator*() { return _node->_data;}Ptr operator->() { //return &(operator*()); return &_node->_data;}	//// 迭代器支持移动Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);_node = _node->_next;return temp;}//--itSelf& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//it--Self operator--(int){Self temp(*this);_node = _node->_prev;return temp;}
//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{ return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l)const{ return _node != l._node;}Node* _node;};

反向迭代器的代码实现：

%适配器模式来做反向迭代器，用一个正向迭代器来封装反向迭代器
template<class Iterator>class ReverseListIterator{% 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量% 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量% 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;public://// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}//// 具有指针类似行为Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}//// 迭代器支持移动Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--(){++_it;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);++_it;return temp;}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{return _it != l._it;}Iterator _it;};

在这里插入图片描述

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
编译器生成的默认析构函数够用，对内置类型不敢处理，只对自定义类型处理
拷贝构造和赋值重载（不需要写）
默认生成的浅拷贝就可以

（2）运算符重载 - > ：

Ptr operator->() {//return &(operator*());0return &_node->_data;}返回的是一个指针。

优化如下：

it.operator->() – 返回类型是AA*的迭代器
it.operator->() ->_data;
编译器为了可读性进行了优化处理
如果不优化应该是it->->_data;
优化以后，省略了一个->

2.3 List链表的实现

template<class T>
class list{typedef ListNode<T> Node;public:// 正向迭代器typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;// 反向迭代器typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;// List的构造list(){_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(int n, const T& value = T()){empty_init();for (int i = 0; i < n; ++i)push_back(value);}//创造一个哨兵位头结点出来，通用void empty_init(){_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}template <class Iterator（大写I）>list(Iterator first, Iterator last){empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}}
//拷贝构造现代写法：--需要使用深拷贝list(const list<T>& l){//创造一个哨兵位头节点出来，不初始化就是随机值empty_init();// 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.begin(), l.end());this->swap(temp);}list<T>& operator=(list<T> l){this->swap(l);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}///// List的迭代器iterator begin() { return iterator(_head->_next); }iterator end() { return iterator(_head); }const_iterator begin()const { return const_iterator(_head->_next); }const_iterator end()const{ return const_iterator(_head); }reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}const_reverse_iterator rbegin()const{return const_reverse_iterator(end());}const_reverse_iterator rend()const{return const_reverse_iterator(begin());}///// List的容量相关size_t size()const{Node* cur = _head->_next;size_t count = 0;while (cur != _head){count++;cur = cur->_next;}return count;}bool empty()const{return _head->_next == _head;}void resize(size_t newsize, const T& data = T()){size_t oldsize = size();if (newsize <= oldsize){// 有效元素个数减少到newsizewhile (newsize < oldsize){pop_back();oldsize--;}}else{while (oldsize < newsize){push_back(data);oldsize++;}}}// List的元素访问操作// 注意：List不支持operator[]T& front(){return _head->_next->_val;}const T& front()const{return _head->_next->_val;}T& back(){return _head->_prev->_val;}const T& back()const{return _head->_prev->_val;}// List的插入和删除void push_back(const T& val) { //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(), 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){Node* pNewNode = new Node(val);Node* pCur = pos._node;// 先将新节点插入pNewNode->_prev = pCur->_prev;pNewNode->_next = pCur;pNewNode->_prev->_next = pNewNode;pCur->_prev = pNewNode;return iterator(pNewNode);}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置iterator erase(iterator pos){// 找到待删除的节点Node* pDel = pos._node;Node* pRet = pDel->_next;// 将该节点从链表中拆下来并删除pDel->_prev->_next = pDel->_next;pDel->_next->_prev = pDel->_prev;delete pDel;return iterator(pRet);}void clear(){Node* cur = _head->_next;// 采用头删除删除while (cur != _head){_head->_next = cur->_next;delete cur;cur = _head->_next;}_head->_next = _head->_prev = _head;}void swap(bite::list<T>& l){std::swap(_head, l._head);}private:Node* _head;};
}