文章目录

一、list的介绍二、迭代器1、list的迭代器失效问题2、迭代器的功能分类3、list迭代器的模拟实现

三、增删查改1、insert和erase2、push_back和push_front3、pop_back和pop_front

四、list的构造函数1、构造2、赋值重载

3、析构类名和类型的区别五、list和vector的对比1.vector2、list

六、模拟实现list整体代码

一、list的介绍

列表是一种顺序容器，它允许在序列中的任何位置执行常量时间插入和删除操作，并允许在两个方向上进行迭代。

它的底层是一个带头双向循环链表，我们直接来看一看整体框架：

<code>// List的节点类

template<class T>

struct ListNode

{ -- -->

ListNode(const T& val = T())

:_val(val)

,_pPre(nullptr)

,_pNext(nullptr)

{ }

ListNode<T>* _pPre;

ListNode<T>* _pNext;

T _val;

};

template<class T>

class list

{

typedef list_node<T> node;

public:

//迭代器

typedef __list_iterator<T> iterator;

typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;

//构造

list()

{

_head = new node(T());

_head->_next = _head;

_head->_prev = _head;

}

private:

node* _head;

size_t _size;

};

二、迭代器

1、list的迭代器失效问题

insert，迭代器不失效。

earse失效。

2、迭代器的功能分类

1、单向迭代器：只能++，不能–。例如单链表，哈希表；

2、双向迭代器：既能++也能–。例如双向链表；

3、随机访问迭代器：能+±-，也能+和-。例如vector和string。

迭代器是内嵌类型（内部类或定义在类里）

3、list迭代器的模拟实现

1、list迭代器的引入

对于vector和string类而言，物理空间是连续的，原生的指针就是迭代器了（不一定哦，只是可能，版本可能不同），解引用就是数据了。但是对于这里的list而言，空间是不连续的，我们知道，迭代器有两个特征：1.解引用 2.++ /–

此时如果解引用是拿不到数据的（空间不连续），更不用说++指向下一个结点了。所以，对于list的迭代器，原生指针已经不符合我们的需求了，我们需要去进行特殊处理：进行类的封装。 我们可以通过类的封装以及运算符重载支持，这样就可以实现像内置类型一样的运算符。

2.普通迭代器

//用类封装迭代器

template <class T>

struct __list_iterator

{

typedef list_node<T> node;

//用节点的指针进行构造

__list_iterator(node* p)

:_pnode(p)

{ }

//迭代器运算符的重载

T& operator*()

{

return _pnode->_data;

}

__list_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node* operator++()，因为迭代器++返回迭代器

{

//return _pnode->_next;

_pnode=_pnode->_next;

return *this;//返回的是迭代器

}

bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)

{

return _pnode != it._pnode;

}

public:

node* _pnode;//封装一个节点的指针

};

注意：对于迭代器的拷贝构造和赋值重载我们并不需要自己去手动实现，编译器默认生成的就是浅拷贝，而我们需要的就是浅拷贝，这也说明了，并不是说如果有指针就需要我们去实现深拷贝。另外，迭代器通过结构体指针访问修改链表，所以，对于迭代器我们并不需要构造函数，结点的释放由链表管理。

3.const迭代器

const迭代器的错误写法：

typedef __list_iterator<T> iterator;

const list<T>::iterator it=lt.begin();

因为typedef后，const修饰的是迭代器it，只能调用operator*(),调不了operator++()。

正确写法：想实现const迭代器，，需要再写一个const版本迭代器的类。

//用类封装const迭代器

template <class T>

struct __list_const_iterator

{

typedef list_node<T> node;

//用节点的指针进行构造

__list_const_iterator(node* p)

:_pnode(p)

{ }

//迭代器运算符的重载

const T& operator*()const

{

return _pnode->_data;

}

__list_const_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器

{

//return _pnode->_next;//返回类型错误的

_pnode = _pnode->_next;

return *this;//返回的是迭代器

}

__list_const_iterator<T>& operator--()

{

_pnode = _pnode->_prev;

return *this;

}

bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)const

{

return _pnode != it._pnode;

}

public:

node* _pnode;//封装一个节点的指针

};

typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;

如果是这样子去实现的话，我们就会发现，这两个迭代器的实现并没有多大的区别，唯一的区别就在于operator*的不同。const迭代器和普通迭代器的唯一区别就是普通迭代器返回T&，可读可写，const迭代器返回const T&,可读不可写，上面的代码存在很大的问题：代码冗余，所以我们应该去解决这个问题：我们可以参考源码的实现：类模板参数解决这个问题，这也是迭代器的强大之处

//用类封装普通/const迭代器

template <class T,class Ref>

struct __list_iterator

{

typedef list_node<T> node;

typedef __list_iterator<T,Ref> Self;

//用节点的指针进行构造

__list_iterator(node* p)

:_pnode(p)

{ }

//迭代器运算符的重载

Ref operator*()

{

return _pnode->_data;

}

Self& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器啊，你返回节点指针类型不对

{

//return _pnode->_next;//返回类型错误的

_pnode=_pnode->_next;

return *this;//返回的是迭代器

}

Self& operator--()

{

_pnode = _pnode->_prev;

return *this;

}

bool operator!=(const Self& it)

{

return _pnode != it._pnode;

}

public:

node* _pnode;//封装一个节点的指针

};

typedef __list_iterator<T, T&> iterator;

typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;

4、迭代器operator->的重载

迭代器的用法就是模拟指针的行为，如果现在有一个指向结构的指针，那么就需要用到->来解引用。

//*的重载：返回节点的数据

Ref operator*()

{

return _pnode->_data;

}

//->的重载：返回数据的指针

T* operator->()

{

return &_pnode->_data;

}

但是operator->使用T*做返回值类型，这样无论是普通迭代器和const迭代器都能修改，所以operator->的返回值类型应该改为泛型：

template <class T, class Ref,class Ptr>

Ptr operator->()

{

return &_pnode->_data;

}

typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;

typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

5、迭代器价值

1、封装底层实现，不暴露底层实现的细节；

2、多种容器提供统一的访问方式，降低使用成本；

C语言没有运算符重载和引用等语法，是实现不了迭代器的。

三、增删查改

1、insert和erase

insert：在pos位置上一个插入，返回插入位置的迭代器，对于list的insert迭代器不会失效，vector失效是因为扩容导致pos位置造成野指针问题。

iterator insert(iterator pos,const T& x)

{

node* newnode = new node(x);

node* cur = pos._pnode;

node* prev = cur->_prev;

newnode->_prev = prev;

prev->_next = newnode;

newnode->_next = cur;

cur->_prev = newnode;

++_size;

return iterator(newnode);

}

erase:这里的带头（哨兵位）头结点不可删除，返回值是删除位置的下一个，对于list的erase迭代器是失效的

iterator erase(iterator pos)

{

assert(pos != end());

node* prev = pos._pnode->_prev;

node* next = pos._pnode->_next;

prev->_next = next;

next->_prev = prev;

delete pos._pnode;

--_size;

return iterator(next);

}

2、push_back和push_front

void push_back(const T& x)

{

/*node* newnode = new node(x);

node* tail = _head->_prev;

newnode->_prev = tail;

tial->_next = newnode;

newnode->_next = _head;

_head->_prev = newnode;*/

insert(end(), x);

}

void push_front(const T& x)

{

insert(begin(), x);

}

3、pop_back和pop_front

尾删和头删，复用erase即可

void pop_front()

{

erase(begin());

}

void pop_back()

{

erase(--end());

}

四、list的构造函数

1、构造

默认构造：

list()

{

_head = new node(T());

_head->_next = _head;

_head->_prev = _head;

_size = 0;

}

我们可以用empty_initialize()来封装初始化，方便复用，不用每次都写：

void empty_initialize()

{

_head = new node(T());

_head->_next = _head;

_head->_prev = _head;

_size = 0;

}

迭代器区间构造：

//迭代器区间构造

template <class InputIterator>

list(InputIterator first, InputIterator last)

{

empty_initialize();

while (first != last)

{

push_back(*first);

++first;

}

}

拷贝构造：

传统写法

list(const list<T>& lt)

{

empty_initialize();

for (const auto& e : lt)

{

push_back(e);

}

}

用范围for进行尾插，但是要注意要加上&，范围for是*it赋值给给e，又是一个拷贝，e是T类型对象，依次取得容器中的数据，T如果是string类型，不断拷贝，push_back之后又销毁。

现代写法

void swap(list<T>& lt)

{

std::swap(_head, lt._head);

std::swap(_size, lt._size);

}

list(const list<T>& lt)

{

empty_initialize();

list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());

swap(tmp);

}

2、赋值重载

传统写法

list<T>& operator=(list<T>& lt)

{

if (this != &lt)

{

clear();

for (const auto& e : lt)

{

push_back(e);

}

}

return *this;

}

现代写法

list<T>& operator=(list<T> lt)

{

swap(lt);

return *this;

}

3、析构

对于list，有单独的clear()接口，list的析构可以直接复用clear()，同时还需要我们去释放掉头结点：

~list()

{

clear();

delete _head;

_head = nullptr;

}

void clear()

{

iterator it = begin();

while (it != end())

{

it = erase(it);

}

}

类名和类型的区别

普通类：类名等于类型

类模板：类名不等价于类型，例如list类模板类名是list,类型list等。

所以我们平常写函数形参和返回值时，总会带上形参和返回值的类型：

// 赋值运算符重载

list<T>& operator=(list<T> lt)

{

swap(lt);

return *this;

}

五、list和vector的对比

1.vector

vector的优点（结构牛逼）：

1、支持下标的随机访问；

2、尾插尾删效率高（当然扩容的那一次尾插会较慢）；

3、CPU高速缓存命中高（数据从缓存加载至CPU中，会加载连续的一段数据，vector因为结构连续，高速缓存命中高）。

vector的缺点：

1、非尾插尾删效率低；

2、扩容有消耗，并存在一定的空间浪费。

vector迭代器失效问题：

insert/erase均失效。（如果string的insert和erase形参是迭代器，那么也会失效，但是大部分接口是下标传参，不考虑失效问题，只有几个接口是迭代器传参，需要注意迭代器失效问题）

2、list

list的优点：

1、按需申请释放，无需扩容；

2、任意位置插入删除时间O(1)；（这里说的是插入删除，不要加上查找的时间）

list的缺点：

1、不支持下标的随机访问；

2、CPU高速缓存命中率低；

3、每一个节点除了存储数据外，还需要额外存储两个指针。

	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

六、模拟实现list整体代码

<code>namespace fx

{ -- -->

// List的节点类

template<class T>

struct ListNode

{

ListNode(const T& val = T())

:_val(val)

,_pPre(nullptr)

,_pNext(nullptr)

{ }

ListNode<T>* _pPre;

ListNode<T>* _pNext;

T _val;

};

//List的迭代器类

template<class T, class Ref, class Ptr>

class ListIterator

{

typedef ListNode<T>* PNode;

typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

public:

ListIterator(PNode pNode = nullptr)

:_pNode(pNode)

{ }

ListIterator(const Self& l)

{

_pNode = l._pNode;

}

Ref operator*()

{

return _pNode->_val

}

Ptr operator->()

{

}

Self& operator++()

{

return _pNode->_pNext;

}

Self operator++(int)

{

Self tmp(*this);

_pNode = _pNode->_pNext;

return tmp;

}

Self& operator--()

{

return _pNode->_pPre;

}

Self& operator--(int)

{

Self tmp(*this);

_pNode = _pNode->_pPre;

return tmp;

}

bool operator!=(const Self& l)

{

return _pNode != l._pNode;

}

bool operator==(const Self& l)

{

return _pNode == l._pNode;

}

private:

PNode _pNode;

};

//list类

template<class T>

class list

{

typedef ListNode<T> Node;

typedef Node* PNode;

public:

typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;

typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

public:

///

// List的构造

void CreateHead()

{

Node* _pHead = new Node;

_pHead->_pNext = _pHead;

_pHead->_pPre = _pHead;

_size = 0;

}

list()

{

CreateHead();

}

list(int n, const T& value = T())

{

CreateHead();

for (int i = 0; i < n; ++i)

{

push_back(value);

}

}

template <class Iterator>

list(Iterator first, Iterator last)

{

CreateHead();

wihle(first != last)

{

push_back(*first);

++first;

}

}

list(const list<T>& l)

{

CreateHead();

for (auto& e : lt)

{

push_back(e);

}

}

list<T>& operator=(const list<T> l)

{

swap(l);

return *this;

}

~list()

{

clear();

delete _head;

_head = nullptr;

}

///

// List Iterator

iterator begin()

{

return _pHead->_pNext;

}

iterator end()

{

return _pHead;

}

const_iterator begin()

{

return _head->_next;

}

const_iterator end()

{

return _pHead;

}

///

// List Capacity

size_t size()const

{

return _size;

}

bool empty()const

{

return _size == 0;

}

// List Access

T& front()

{

return *begin();

}

const T& front()const

{

return *begin();

}

T& back()

{

return _head->_prev->_val;

}

const T& back()const

{

return _head->_prev->_val;

}

// List Modify

void push_back(const T& val)

{

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* newnode = new Node;

Node* cur = pos._node;

Node* prev = cur->_prev;

newnode->_next = cur;

cur->_prev = newnode;

newnode->_prev = prev;

prev->_next = newnode;

++_size;

}

// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置

iterator erase(iterator pos)

{

assert(pos != end());

Node* prev = pos._node->_prev;

Node* next = pos._node->_next;

prev->_next = next;

next->_prev = prev;

delete pos._node;

--_size;

}

void clear()

{

auto it = begin();

while (it != end())

{

it = erase(it);

}

}

void swap(list<T>& l)

{

std::swap(_head, lt._head);

std::swap(_size, lt._size);

}

private:

PNode _pHead;

size_t _size;

};

};