【C++心愿便利店】No.14---C++之探索list底层原理

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前言

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📋专栏：C++ 心愿便利店
🔑本章内容：list
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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、list的介绍及使用

list的文档介绍

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

1.2.1 list的构造

void test_list1()
{
	list<int> l1;//构造空的list
	list<int>l2(6, 6);//构造的list中包含n个值为val的元素
	list<int>l3(l2.begin(), l2.end());//用[first, last)区间中的元素构造list
	list<int>l4(l3);//拷贝构造函数
	list<int>::iterator it = l2.begin();
	while (it != l2.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
	for (auto e : l3)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	for (auto e : l4)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
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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。

void test_list2()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(5);
	// 使用正向迭代器遍历打印lt中的元素
	// list::iterator it = l.begin();   //两种写法都对
	auto it = lt.begin();                    
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	// 使用反向迭代器遍历打印lt中的元素
	// list::reverse_iterator rit = l.rbegin();
	auto rit = lt.rbegin();
	while (rit != lt.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;
}
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【注意】

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
3. 遍历链表只能使用迭代器和范围 for。

1.2.3 list capacity

1.2.4 list element access

1.2.5 list modifiers

1.2.6 list operations

注意：链表排序只能使用 list 自身的 sort() 接口（其底层是利用归并排序原理），不能使用算法库的 sort，因为算法库中的 sort 底层是通过快排来实现的，快排涉及到三数取中，需要迭代器 - 迭代器，链表不能很好的支持。

void test_list3()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(5);
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	lt.reverse();链表逆置可以使用 list 自身的接口，也可以使用算法库中的 reverse
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	//sort(lt.begin(), lt.end());
	lt.sort();//默认升序< less
	//降序> greater
	
	//greater gt;lt.sort(gt);
	lt.sort(greater<int>());
	//上面的两种写法都可以
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
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unique  ---	去重（一定要记得有序）
void test_list4()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(5);
	lt.push_back(5);
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	lt.unique();
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
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虽然链表提供了排序接口，但是用链表对数据排序意义不大（当数据比较大时），效率太低了，更希望用 vector 来对数据进行排序 — 如下（具体可以通过对两者进行效率比对），但是数据较小时sort还是很有用的

//将li中的数据拷贝到vector
vector<int> v(lt.begin(),lt.end());
for (auto e : v)
{
	cout << e << " ";
}
cout << endl;
//排序
sort(v.begin(), v.end());
for (auto e : v)
{
	cout << e << " ";
}
cout << endl;
//拷贝回lt
lt.assign(v.begin(), v.end());
for (auto e : lt)
{
	cout << e << " ";
}
cout << endl;

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//对两者进行效率比对
void TestSort()
{
    srand(time(0));
    const int N = 5000000;
    vector<int> v;
    list<int> lt;

    v.reserve(N);//提前开好空间

    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        auto e = rand();
        v.push_back(e);
        lt.push_back(e);
    }

    比较vector 和 list 的排序
    
    int begin1 = clock();
    sort(v.begin(), v.end());
    int end1 = clock();

    int begin2 = clock();
    lt.sort();
    int end2 = clock();

    printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
    printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}
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迭代器的这种分类方式，是由容器的底层结构来决定的

可以看到算法库里面的sort：迭代器类型是随机（RandomAccessIterator）类型的所以不可以用算法库中的sort，以list中的reverse为例：迭代器是双向（BidirectionalItreator）类型的。

1.2.7 list的迭代器失效

list中insert 插入元素并不会导致迭代器失效， vector 中的 insert插入元素导致迭代器失效是因为，vector 中的 insert 会去扩容挪动数据，而 list 中的 insert 不会进行扩容挪动数据
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 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;
	 }
}
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// 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);
 	}
}
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二、list的模拟实现

2.1 定义一个结构体实现list的节点

template<class T>
struct list_node//struct默认是公有的不受访问限定符限制
{
	T _data;
	list_node<T>*_next;
	list_node<T>*_prev;

	list_node(const T& x=T())//拷贝构造
		:_data(x)
		,_next(nullptr)
		,_prev(nullptr)
	{}
};
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2.2 list的成员变量

template<class T>
class list
{
	typedef list_node<T> Node;
public:
		
private:
	Node* _head;
};
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2.3 list迭代器的封装实现

list 的迭代器不再使用原生指针因为：

• 首先如果list 的迭代器使用原生指针，那对迭代器解引用得到的是一个节点，但是我们是希望对迭代器解引用可以得到节点里面存储的元素数据
• 其次 list 在底层的物理空间并不连续，如果使用原生指针作为 list 的迭代器，那对迭代器执行 ++ 操作，并不会让迭代器指向下一个节点。
  所以需要对 list 的迭代器进行封装并对一些运算符进行重载以实现迭代器的效果。

2.3.1 普通迭代器

//迭代器的封装和运算符重载
template<class T>
struct __list_iterator
{
	typedef list_node<T>Node;
	typedef __list_iterator<T> self;
	Node* _node;
	
	__list_iterator(Node* node)//构造
		:_node(node)
	{}

	self& operator++()//前置++
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

	self operator++(int)//后置++
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}

	self& operator--()//前置--
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}

	self& operator--(int)//后置--
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}

	T& operator*()//因为要修改数据所以返回数据的&
	{
		return _node->_data;
	}

	bool operator==(const self& s)
	{
		return _node == s._node;
	}

	bool operator!=(const self& s)
	{
		return _node !=s._node ;
	}
};
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迭代器不需要实现析构函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数，直接使用默认生成的就可以（所以浅拷贝就足够了不需要深拷贝）

2.3.2 const迭代器

上述实现了普通迭代器，那 const 迭代器该怎样实现呢？
所谓const 迭代器本质：是限制迭代器指向的内容不能修改，而 const 迭代器自身可以修改，它可以指向其他节点。
const iterator这种写法，const 限制的就是迭代器本身，会让迭代器无法实现 ++ 等操作(所以const迭代器不是对普通迭代器＋const修饰)。

为了实现const迭代器有两种方式：

• 单独写一个 _list_const_iterator 的类

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)
	{}

	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

	self operator++(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}

	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}

	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;
	}
};
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• 在普通迭代器的基础上，再传递一个模板参数，让编译器来生成

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)
	{}
	
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

	self operator++(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}

	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}

	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;
	}
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2.4 list成员函数

2.4.1 构造函数

list 本质上是一个带头双向循环链表。

void empty_init()
{
	_head = new Node;//这里需要传个值所以在拷贝构造的地方给个匿名对象
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}
list()
{
	empty_init();
}
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2.4.2 拷贝构造函数

list(const list<T>& lt)//--->lt是一个const类型的
{
	empty_init();
	for (auto e : lt)
	{
		push_back(e);
	}
}
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2.4.3 赋值运算符重载

//两种写法：
list<int>& operator=(const list<int>& lt)
{
	if(this!=&lt)
	{
		clear();//释放lt3;--->不清哨兵位的头结点可以继续插入
		for (auto e : lt)//遍历lt1
		{
			push_back(e);//把lt1中的数据插入到lt3
		}
	}
	return *this;
}
____________________________________________________________________________________
void swap(list<T>& lt)
{
	std::swap(_head,lt._head);//交换头指针
	std::swap(_size, lt._size);
}
list<int>& operator=(list<int>& lt)
{
	swap(lt);
	return *this;
}
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2.4.4 迭代器相关

//普通迭代器：
iterator begin()
{
	return _head->_next;
}
iterator end()
{
	return _head;
}
//const迭代器：
const_iterator begin()const
{
	return _head->_next;
}
const_iterator end()const 
{
	return _head;
}
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2.4.5 insert

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

	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;

	_size++;
	return iterator(newnode);
}
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2.4.6 erase

iterator erase(iterator pos)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* next = cur->_next;

	delete cur;
	cur = nullptr;

	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;

	_size--;
	return iterator(next);//返回pos的下一个位置
}
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2.4.7 push_back()

void push_back(const T& x)
{
//找尾
	Node* tail = _head->_prev;
//插入节点	
	Node* newnode = new Node(x);
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;
}
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//直接复用insert
void push_back(const T& x)
{
	insert(end(),x);
}
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2.4.8 push_front()

void push_front(const T& x)
{
	insert(begin(), x);
}
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2.4.9 pop_back()

void pop_back(const T& x)
{
	erase(--end());
}
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2.4.10 pop_front()

void pop_front(const T& x)
{
	erase(begin());
}
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2.4.11 size()

size_t size()
{
	return _size;
}
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2.4.12 clear()

void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);//返回下一个位置的迭代器
	}
}
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2.4.13 析构函数

~list()
{
	clear();
	delete _head;
	_head = nullptr;
}
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三、list与vector的对比

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