c++stl 之list的底层理解及其模拟实现

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。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

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。
在这里插入图片描述
【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

1.3 list capacity

在这里插入图片描述

1.4 list element access

在这里插入图片描述

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:

vectorlist
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
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值