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list 介绍及底层

ai 2025/7/26 9:50:03

list的相关文档：list - C++ Reference

一、list的介绍及使用

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。我们库里的list 是一个带头双向循环链表。

1.1 list 的构造

1.2. list 迭代器的使用

此处，大家可以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。

遍历链表，与vector和string 不同的是， list 不支持 [ ] ，仅支持迭代器和范围 for 遍历链表。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<list>
using namespace std;int main()
{list<int> lt1;lt1.push_back(1);lt1.push_back(2);lt1.push_back(3);lt1.push_back(4);list<int>lt2 = { 1,2,3,4,5 };list<int>::iterator it1 = lt1.begin();while (it1 != lt1.end()){cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;for (auto& e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

1.3 list modifiers

1）emplace_back 和 push_back 都能实现尾插一个数据，有什么区别？

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<list>
using namespace std;class Pos
{
public:Pos(int row,int col):_row(row),_col(col){}
private:int _row;int _col;
};int main()
{list<Pos> lt;Pos p1(1, 1);lt.push_back(p1);lt.push_back(Pos(2, 2));lt.push_back({3,3});lt.emplace_back(p1);lt.emplace_back(Pos(2, 2));//lt.emplace_back({ 3,3 });lt.emplace_back(3, 3);return 0;
}

补充 : 单参数的构造函数，支持隐式类型转化

2）删除指定元素

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<list>
using namespace std;int main()
{list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5 };for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;int x;cin >> x;auto it = find(lt1.begin(), lt1.end(), x);if (it != lt1.end()){lt1.erase(it);}for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

1.4 Operations

1）merge : 合并

2）unique : 去重，前提：有序

3）splice : 把一个链表的值转移到另一个链表

可以用来实现类似LRU（最近最少使用）的算法：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<list>
using namespace std;//LRU
int main()
{list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5 };for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;int x;while (cin >> x){auto pos = find(lt1.begin(), lt1.end(), x);if (pos != lt1.end()){lt1.splice(lt1.begin(), lt1, pos);}for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;}return 0;
}

4）sort : 排序

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<list>
using namespace std;int main()
{list<int> lt1 = { 15,2,31,14,15 };for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;lt1.sort();for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;greater<int> gt;lt1.sort(gt);for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

为了简化，我们一般按照下面的写法，传仿函数：

为什么库里面有sort ， list 还要实现一个sort , 难道不会是多次一举吗？

我们可以看到，不是list 不想用，是list 根本用不了。这就和迭代器的功能分类有关了。

虽然，算法库的sort 是一个模板，但是也很明显的告诉了你，传的要是随机迭代器。

二、list 底层

模板不支持分离成两个文件 ，这里我们仅创建 list.h

list 的底层很深刻的体现了封装的优点：

三者的角色分工
- 节点（Node） - 数据的 "容器" ：存储实际的数据，以及连接其他节点的指针（前向和后向指针）
- 迭代器（Iterator） - 数据的 "导航员" ：提供访问节点数据的统一方式，屏蔽底层节点的实现细节
- list 类 - 整个链表的 "管理者" ： 负责整体的创建、销毁、插入、删除等操作，维护链表的完整性

封装的意义
- 分离关注点
  - 节点只关心数据存储和连接
  - 迭代器只关心如何访问数据
  - list 类只关心整体管理
  - 这样每个部分可以独立修改，不会互相影响
- 隐藏实现细节
  - 用户不需要知道节点如何定义
  - 不需要知道迭代器如何移动
  - 只需要调用 list 提供的接口即可
- 统一访问方式
  - 无论是 list、vector 还是其他容器，都可以用类似的迭代器方式访问
  - 使得算法可以通用（如 sort、find 等）
- 提高安全性
  - 防止用户直接操作节点指针导致的错误
  - 迭代器会自动处理边界检查等问题

2.1 list 节点类

1. （惯例）如果成员变量和成员函数全部是公有的，一般用 struct 。既有公有又有私有，则用class

2. 如果把节点类放公有，不是会不安全 ? 能被任意修改 ?

节点类虽然是公开的，但是是隐形的封装，对 list 才有用，在使用 list 的接口的时候，其实我们并不会知道它底层是双向带头链表，也不知道成员变量的具体变量名（不同平台的变量名会不同），所以是安全的， 在list 的增删查改的时候，会高频的调用list 的节点，所以直接放成struct

	//惯例
//全部是公用，一般用structtemplate<class T>struct list_node{T _data;list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;list_node(const T& x = T()):_data(x), _prev(nullptr), _next(nullptr){}};

缺省值给匿名对象 ，因为类型是不确定的，给字面量不合适。

2.2 list 迭代器

1. 原生指针已经不够用了；所以list 的迭代器是类封装指针，重载运算符，模拟指针行为。

2. 使用struct ，因为需要频繁访问内部成员，不建议用访问限定符限制。

3. 容器迭代器设计思路体现了封装：屏蔽底层实现细节，屏蔽各容器结构差异，本质封装底层细节和差异，提供统一的访问方式。

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){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//返回局部对象就不能再使用引用返回了Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const Self& s){return _node == s._node;}
};

2.3 list 类

1）insert:

返回 iterator ；由于不需要扩容，所以不存在迭代器失效的问题

		iterator insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curnewnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;prev->_next = newnode;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}

复用insert 实现头插和尾插：

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

2）erase :

list 的迭代器失效： 迭代器失效即迭代器所指向的节点无效，即该节点被删除了。 因为 list 的底层结构为带头节点的双向循环链表， 因此再 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。

注意 : 删除唯独不能删除哨兵位的头结点！！！

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

复用erase 实现头删和尾删 :

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

3) 析构

		~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}

clear 是清理资源，但是结构依旧保持。 （注意： list 的erase 会导致迭代器失效的问题，需要更新一下迭代器。） 析构不仅清理资源，同时会把头结点给删除了。

4）拷贝构造 :

		//拷贝构造//lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}

5）赋值重载：

//赋值重载
//lt2 = lt3
list<T>& operator=(list<T> lt)
{swap(lt);return *this;
}void swap(list<T>& tmp)
{std::swap(_head, tmp._head);
}

6）所有代码：list.h

#pragma once
#include<assert.h>namespace LF
{//惯例
//全部是公用，一般用structtemplate<class T>struct list_node{T _data;list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;list_node(const T& x = T()):_data(x), _prev(nullptr), _next(nullptr){}};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){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//返回局部对象就不能再使用引用返回了Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}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//{//	typedef list_node<T> Node;//	typedef list_const_iterator<T> Self;//	Node* _node;//	list_const_iterator(Node* node)//		:_node(node)//	{}//	const T& operator*()//	{//		return _node->_data;//	}//	const T* operator->()//	{//		return &_node->_data;//	}//	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;//	}//	bool operator!=(const Self& s)//	{//		return _node != s._node;//	}//};template<class T>class list{typedef list_node<T> Node;public://typedef list_iterator<T> iterator;//typedef list_const_iterator<T> const_iterator;typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;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);}void empty_init(){_head = new Node();_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}list(){empty_init();}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}//n个val构造list(size_t n, const T& val = T()){empty_init();for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}//拷贝构造//lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}//赋值重载//lt2 = lt3list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}void swap(list<T>& tmp){std::swap(_head, tmp._head);}//void push_back(const T& x)//{//	Node* new_node = new Node(x);//	Node* tail = _head->_prev;//	new_node->_next = _head;//	new_node->_prev = tail;//	_head->_prev = new_node;//	tail->_next = new_node;//}void push_back(const T& x){insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}iterator insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curnewnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;prev->_next = newnode;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());Node* del = pos._node;Node* prev = del->_prev;Node* next = del->_next;//prev del nextprev->_next = next;next->_prev = prev;delete del;return iterator(next);}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}private:Node* _head;};
}