【C++游记】List的使用和模拟实现
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Hello，这里是小枫。C语言与数据结构和算法初阶两个板块都更新完毕，我们继续来学习C++的内容呀。C++是接近底层有比较经典的语言，因此学习起来注定枯燥无味，西游记大家都看过吧~，我希望能带着大家一起跨过九九八十一难，降伏各类难题，学会C++，我会尽我所能，以通俗易懂、幽默风趣的方式带给大家形象生动的知识，也希望大家遇到困难不退缩，遇到难题不放弃，学习师徒四人的精神！！！故此得名【C++游记】
话不多说，让我们一起进入今天的学习吧~~~
1>>List介绍
2>>List使用
2.1>>list构造
下面是一些用接口，大伙熟悉一下，后面模拟实现都会用到噢~
| 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lis |
2.2>>list iterator的使用
这个就是一个迭代器，可以想象为指向某个节点的指针。
| 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（可以理解为rbegin就是end,rend就是begin） |
!!!
1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
2. 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
2.3>>迭代器失效
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。下面代码可供大伙练习，以get到失效的那个点。
void TestListIterator1()
{
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 TestListIterator()
{
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);}
}3>>list的模拟实现
经过上面的学习，我们了解到大部分list的使用了，接下来我会给大家两端代码，一个是list.h包含list的功能实现，还有test.cpp包含测试代码，list.h包含一些注释，有我自己和ai的注释，大家可以仿写，不会的欢迎评论区探讨。
3.1>>list.h
#pragma once
// 防止头文件被多次包含namespace wc // 自定义命名空间，避免与标准库冲突
{// 链表节点结构定义template<class T>struct list_node{T _data; // 节点存储的数据list_node<T>* _next; // 指向后一个节点的指针list_node<T>* _prev; // 指向前一个节点的指针// 节点构造函数，默认参数为T的默认构造list_node(const T& x = T()):_data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr){}};// 链表迭代器实现（通过模板参数区分普通迭代器和const迭代器）// T: 数据类型, Ref: 引用类型(T& 或 const T&), Ptr: 指针类型(T* 或 const T*)template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list_iterator{typedef list_node<T> Node; // 节点类型重定义typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> Self; // 迭代器自身类型重定义Node* _node; // 指向当前节点的指针// 迭代器构造函数__list_iterator(Node* node):_node(node){}// 解引用操作符，返回节点数据的引用Ref operator*(){return _node->_data;}// 箭头操作符，返回节点数据的指针Ptr operator->(){return &_node->_data;}// 前置++，移动到下一个节点Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}// 后置++，移动到下一个节点（返回原值）Self operator++(int){Self tmp(*this); // 保存当前状态_node = _node->_next;return tmp; // 返回未修改的临时对象}// 前置--，移动到前一个节点Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}// 后置--，移动到前一个节点（返回原值）Self operator--(int){Self tmp(*this); // 保存当前状态_node = _node->_prev;return tmp; // 返回未修改的临时对象}// 不等比较操作符bool operator!=(const Self& it) const{return _node != it._node;}// 相等比较操作符bool operator==(const Self& it) const{return _node == it._node;}};/* 注释掉的const迭代器实现，已通过模板参数方式优化template<class T>struct __list_const_iterator{typedef list_node<T> Node;Node* _node;__list_const_iterator(Node* node):_node(node){}const T& operator*(){return _node->_data;}__list_const_iterator<T>& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}__list_const_iterator<T> operator++(int){__list_iterator<T> tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}__list_const_iterator<T>& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}__list_const_iterator<T> operator--(int){__list_const_iterator<T> tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it) const{return _node != it._node;}bool operator==(const __list_const_iterator<T>& it) const{return _node == it._node;}};*/// 链表类定义template<class T>class list{typedef list_node<T> Node; // 节点类型重定义public:// 迭代器类型定义：普通迭代器和const迭代器typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;// 迭代器接口：返回第一个元素的迭代器iterator begin(){return iterator(_head->_next); // 头节点的下一个是第一个元素}// 迭代器接口：返回尾后迭代器iterator end(){return iterator(_head); // 头节点作为尾后标记}// const版本迭代器：返回第一个元素的const迭代器const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}// const版本迭代器：返回尾后const迭代器const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}// 初始化空链表（带头节点的双向循环链表）void empty_init(){_head = new Node; // 创建头节点_head->_next = _head; // 头节点的next指向自己_head->_prev = _head; // 头节点的prev指向自己}// 默认构造函数list(){empty_init();}// 拷贝构造函数list(const list<T>& lt){empty_init(); // 先初始化空链表// 遍历源链表，将每个元素插入到新链表for (const auto& e : lt){push_back(e);}}// 初始化列表构造函数，支持{1,2,3}形式初始化list(initializer_list<T> il){empty_init();// 遍历初始化列表，插入元素for (const auto& e : il){push_back(e);}}// 交换两个链表的内容void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head); // 交换头节点指针std::swap(_size, lt._size); // 交换大小}// 赋值运算符重载（现代写法，利用拷贝构造和交换）list<T>& operator=(list<T> lt) // 传值参数会调用拷贝构造{swap(lt); // 与临时对象交换，出作用域后临时对象自动析构原数据return *this;}/* 传统赋值运算符实现（已注释）list<T>& operator=(const list<T>& lt){if (this != <) // 防止自赋值{clear(); // 清空当前链表// 拷贝元素for (const auto& e : lt){push_back(e);}}return *this;}*/// 析构函数~list(){clear(); // 清空所有元素节点delete _head; // 删除头节点_head = nullptr;}// 清空链表（保留头节点）void clear(){iterator it = begin();// 逐个删除节点直到链表为空while (it != end()){it = erase(it); // erase返回下一个迭代器}}// 尾插void push_back(const T& x){insert(end(), x); // 在尾后迭代器位置插入}// 头插void push_front(const T& x){insert(begin(), x); // 在第一个元素位置插入}// 尾删void pop_back(){erase(--end()); // 删除最后一个元素}// 头删void pop_front(){erase(begin()); // 删除第一个元素}// 在指定位置插入元素iterator insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node; // 获取当前位置节点Node* newnode = new Node(val);// 创建新节点Node* prev = cur->_prev; // 获取当前节点的前一个节点// 调整指针连接新节点prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;++_size; // 大小加1return iterator(newnode); // 返回指向新节点的迭代器}// 删除指定位置的元素iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node; // 获取当前节点Node* prev = cur->_prev; // 前一个节点Node* next = cur->_next; // 后一个节点// 调整指针跳过当前节点prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur; // 释放当前节点内存--_size; // 大小减1return iterator(next); // 返回指向后一个节点的迭代器}// 获取链表大小size_t size() const{/* 遍历计数方式（已注释，改用_size成员变量）size_t n = 0;for (auto& e : *this){++n;}return n;*/return _size;}private:Node* _head; // 头节点指针（哨兵节点）size_t _size = 0; // 链表元素个数};
}3.2>>test.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<vector>
#include<list>
using namespace std;void test_list1()
{list<int> lt1;list<int> lt2(10, 1);vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6 };list<int> lt3(v1.begin(), v1.end());list<int> lt4 = { 1,2,3,4,5,6,1,1,1,1 };int a[] = { 1,20,3,40 };list<int> lt5(a, a + 4);sort(a, a + 4);// 1、封装，通用的相似的遍历容器的方式，并且封装屏蔽容器结构的差异，和底层实现细节// 2、通用/复用，实现算法时用迭代器函数模板方式实现，跟底层容器结构解耦list<int>::iterator it4 = lt4.begin();while (it4 != lt4.end()){cout << *it4 << " ";++it4;}cout << endl;for (auto e : lt4){cout << e << " ";}cout << endl;sort(a, a + 4);sort(v1.begin(), v1.end());// 不能用，要求是随时迭代器//sort(lt3.begin(), lt3.end());reverse(lt3.begin(), lt3.end());reverse(v1.begin(), v1.end());
}void test_list2()
{list<int> lt2(10, 1);lt2.push_back(10);lt2.push_front(10);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;lt2.resize(20, 2);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;lt2.resize(5);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;
}void test_list3()
{std::list<double> first, second;first.push_back(3.1);first.push_back(2.2);first.push_back(2.9);second.push_back(3.7);second.push_back(7.1);second.push_back(1.4);first.sort();second.sort();first.merge(second);std::list<double> lt1 = { 1,2,3,4,5,6,2,3,2 };lt1.remove(2);for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;// std::list<double> lt2 = { 1,2,3,4,5,6 };for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;// 把5转移到头部位置auto it = find(lt2.begin(), lt2.end(), 5);lt2.splice(lt2.begin(), lt2, it);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;
}void test_op1()
{srand(time(0));const int N = 100000;list<int> lt1;vector<int> v;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;lt1.push_back(e);v.push_back(e);}int begin1 = clock();// 排序sort(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();lt1.sort();int end2 = clock();printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}void test_op2()
{srand(time(0));const int N = 1000000;list<int> lt1;list<int> lt2;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;lt1.push_back(e);lt2.push_back(e);}int begin1 = clock();// 拷贝vectorvector<int> v(lt2.begin(), lt2.end());// 排序sort(v.begin(), v.end());// 拷贝回lt2lt2.assign(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();lt1.sort();int end2 = clock();printf("list copy vector sort copy list sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}#include"list.h"namespace wc
{void test_list1(){wc::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;}template<class T>void print(const list<T>& lt){// 类模板未实例化，不能去类模板中找后面的东西// 编译器就分不清const_iterator是嵌套内类，还是静态成员变量// typename告诉编译器，我确认过了这里是类型//typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();auto it = lt.begin();while (it != lt.end()){//*it += 1;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list2(){wc::list<int> lt1;lt1.push_back(1);lt1.push_back(2);lt1.push_back(3);lt1.push_back(4);list<int>::iterator it = lt1.begin();while (it != lt1.end()){*it += 1;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;print(lt1);}struct Pos{int _row;int _col;Pos(int row = 0, int col = 0):_row(row), _col(col){}};void test_list3(){std::list<Pos> lt1;lt1.push_back({ 1,1 });lt1.push_back({ 2,2 });lt1.push_back({ 3,3 });lt1.push_back({ 4,4 });//list<Pos>::iterator it = lt1.begin();auto it = lt1.begin();while (it != lt1.end()){//cout << (*it)._row << ":" << (*it)._col << endl;// 为了可读性，这里省略了一个->cout << it->_row << ":" << it->_col << endl;//cout << it.operator->()->_row << ":" << it.operator->()->_col << endl;++it;}cout << endl;}void test_list4(){wc::list<int> lt1;lt1.push_back(1);lt1.push_back(2);lt1.push_back(3);lt1.push_back(4);print(lt1);lt1.push_front(10);lt1.push_front(20);print(lt1);lt1.pop_back();lt1.pop_back();print(lt1);lt1.pop_front();lt1.pop_front();print(lt1);}void test_list5(){wc::list<int> lt1;lt1.push_back(1);lt1.push_back(2);lt1.push_back(3);lt1.push_back(4);print(lt1);wc::list<int> lt2 = lt1;print(lt1);wc::list<int> lt3 = { 10,20,30,40 };lt1 = lt3;print(lt1);}void test_list6(){wc::list<int> lt1 = { 10,20,30,40 };print(lt1);wc::list<double> lt2 = { 10.1,20.1,30.1,40.1 };print(lt2);}
}int main()
{wc::test_list6();//test_op2();// //cout<<typeid(vector<int>::iterator).name() << endl;return 0;
}4>>list和vector的对比
| 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 | 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 |
5>>结语
今日C++到这里就结束啦，如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下。感兴趣的宝子们欢迎持续订阅小枫，小枫在这里谢谢宝子们啦~小枫の主页还有更多生动有趣的文章，欢迎宝子们去点评鸭~C++的学习很陡，时而巨难时而巨简单，希望宝子们和小枫一起坚持下去~你们的三连就是小枫的动力，感谢支持~
