本文详细探讨了C++ STL中的list容器，包括list的构造、迭代器使用、容量、元素访问、修改操作及迭代器失效情况。重点介绍了list作为双向循环链表的特性，指出在list中插入元素不会使迭代器失效，而删除会导致指向被删除节点的迭代器失效。此外，还探讨了list的模拟实现和反向迭代器的实现，并与vector进行了对比。
目录
一、 list的使用
1.1 list的构造
| 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list |
1.2 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。
【注意】
- begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
- 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
1.3 list capacity
1.4 list element access
1.5 list modifiers
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| push_front | 在list首元素前插入值为val的元素 |
| pop_front | 删除list中第一个元素 |
| push_back | 在list尾部插入值为val的元素 |
| pop_back | 删除list中最后一个元素 |
| insert | 在list position 位置中插入值为val的元素 |
| erase | 删除list position位置的元素 |
| swap | 交换两个list中的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |
1.6 list的迭代器失效
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。
举例代码：
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);
}
}
二、list的模拟实现
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include "reverse_iterator.h"
using namespace std;
namespace sk
{
//构造链表
template <class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
:_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
,_val(val)
{}
ListNode<T>* _prev;
ListNode<T>* _next;
T _val;
};
//list迭代器封装
template <class T, class Ref, class Ptr>
class __list_iterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
public:
Node* _node;
__list_iterator(Node* x)
:_node(x)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &(_node->_val);
}
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;
}
bool operator!=(const Self& it)const
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const Self& it)const
{
return _node != it._node;
}
};
//list功能实现
template <class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
typedef reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
typedef reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
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());
}
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);
}
list()
:_head(nullptr)
{
empty_initiablize();
}
//深拷贝
list(int n, const T& val = T())
{
empty_initiablize();
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
push_back(val);
}
}
template <class Inputiterator>
list(Inputiterator first, Inputiterator last)
{
empty_initiablize();
while (first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
list(const list<T>& l)
{
empty_initiablize();
list<T> tmp(l.begin(), l.end());
swap(_head, tmp._head);
}
iterator& operator=(list<T> l)
{
swap(_head, l._head);
return *this;
}
//析构
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
void empty_initiablize()
{
_head = new Node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size
}
size_t size()const
{
size_t count = 0;
const_iterator it = begin();
while (it != end())
{
count++;
it++;
}
return count;
}
bool empty()const
{
return _head->_next == _head;
}
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;
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void push_back(const T& val)
{
//Node* newnode = new Node(val);
//Node* tail = _head->_prev;
//newnode->_prev = tail;
//newnode->_next = tail->_next;
//tail->_next->_prev = newnode;
//tail->_next = newnode;
insert(end(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
//寻找
iterator find(const T& val)
{
iterator it = begin();
while(it != end())
{
if (*it == val)
{
return it;
}
++it;
}
return nullptr;
}
//指定位置插入
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(val);
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
prev->_next = newnode;
return iterator(newnode);
}
//指定位置删除
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos!= end());
Node* cur = pos._node;
Node* next = cur->_next;
next->_prev = cur->_prev;
cur->_prev->_next = next;
delete cur;
pos._node = next;
return iterator(next);
}
private:
Node* _head;
};
class Date
{
public:
Date(size_t year = 1, size_t month = 1, size_t day = 1)
:_year(year)
,_month(month)
,_day(day)
{}
//private:
size_t _year;
size_t _month;
size_t _day;
};
void print_list(const list<int>& l)
{
list<int>::const_iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
void test_list1()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
l.push_back(4);
print_list(l);
}
void test_list2()
{
list<Date> l;
l.push_back(Date(2012, 2, 3));
l.push_back(Date(2012, 2, 4));
l.push_back(Date(2012, 2, 5));
l.push_back(Date(2012, 2, 6));
list<Date>::iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << it->_year << "-" << it->_month << "-" << it->_day << endl;
it++;
}
}
void test_list3()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
l.push_back(4);
list<int>::iterator pos = l.find(3);
print_list(l);
l.push_front(10);
pos = l.begin();
l.insert(l.end(), 9);
print_list(l);
}
void test_list4()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
l.push_back(4);
print_list(l);
l.pop_front();
print_list(l);
l.pop_back();
print_list(l);
}
void test_list5()
{
list<int> l1;
l1.push_back(1);
l1.push_back(2);
l1.push_back(3);
l1.push_back(4);
list<int> l2(l1);
print_list(l2);
list<int> l3 = l2;
print_list(l3);
list<Date> l4(5, Date(2011,1,1));
list<Date>::iterator it = l4.begin();
for (auto &d : l4)
{
cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day << endl;
}
list<int> l5(5, 1);
print_list(l5);
}
void test_list6()
{
list<int> l1;
l1.push_back(1);
l1.push_back(2);
l1.push_back(3);
l1.push_back(4);
cout << l1.size() << endl;
cout << l1.empty() << endl;
cout << l1.front() << endl;
cout << l1.back() << endl;
}
void test_list7()
{
list<int> l1;
l1.push_back(1);
l1.push_back(2);
l1.push_back(3);
l1.push_back(4);
list<Date> l4;
l4.push_back(Date(2012, 1, 1));
l4.push_back(Date(2012, 2, 2));
l4.push_back(Date(2012, 3, 3));
l4.push_back(Date(2012, 4, 4));
list<Date>::reverse_iterator rit = l4.rbegin();
while(rit != l4.rend())
{
cout << rit->_year << "-" << rit->_month << "-" << rit->_day << endl;
rit++;
}
}
}
三、反向迭代器的实现
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
namespace sk
{
template <class iterator, class Ref, class Ptr>
class reverse_iterator
{
typedef reverse_iterator<iterator, Ref, Ptr> Self;
public:
reverse_iterator(iterator x)
:_it(x)
{}
Ref operator*()
{
iterator prev = _it;
return *(--prev);
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self& operator++(int)
{
_it--;
return *this;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Self& operator--(int)
{
_it++;
return *this;
}
bool operator!=(const Self& rit)const
{
return rit._it != _it;
}
private:
iterator _it;
};
}
四、list与vector的对比
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：
| 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 |
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