目次
一、引言
二、list的根本先容
2.1 底层布局
2.2 特性
三、list的使用
3.1 构造函数
3.2 迭代器的使用
3.3 容量相干使用
3.4 元素访问相干使用
3.5 修改器使用
3.6 迭代器失效标题
四、list的模拟实现
4.1 节点界说
4.2 迭代器实现
4.3 list类实现
五、list与vector的对比
表格
六、总结
一、引言
在C++ 的尺度模板库(STL)中, list 是一种非常紧张的序列式容器。它以其独特的底层布局和高效的使用接口,在很多场景下发挥偏紧张作用。今天,我们就来深入探究一下 list 容器的方方面面。
二、list的根本先容
2.1 底层布局
list 的底层是双向链表布局。每个元素存储在独立的节点中,节点通过指针指向前一个元素和后一个元素 ,而且是带头结点的双向循环链表。这意味着在链表中,头结点可以作为一个哨兵节点,方便进行插入和删除使用,同时循环的特性使得从链表的尾部可以无缝毗连到头部。
2.2 特性
- 插入和删除高效:由于其链表布局,在恣意位置进行插入和删除使用的时间复杂度为 O(1) ,不必要像 vector 那样移动大量元素。
- 双向迭代:支持前后双向迭代,提供了正向迭代器和反向迭代器,方便从差异方向遍历容器。
- 不支持随机访问:与 vector 差异, list 不支持恣意位置的随机访问。假如要访问第 n 个元素,必须从已知位置(如头部或尾部)开始迭代,时间复杂度为 O(n) 。
三、list的使用
3.1 构造函数
list 提供了多种构造方式:
- cpp
- #include <list>
- #include <iostream>
- int main() {
- // 构造包含n个值为val的元素的list
- std::list<int> list1(5, 10); // 包含5个值为10的元素
- // 构造空的list
- std::list<int> list2;
- // 拷贝构造
- std::list<int> list3(list1);
- // 用[first, last)区间中的元素构造list
- std::list<int> list4(list1.begin(), list1.end());
- for (const auto& num : list1) {
- std::cout << num << " ";
- }
- std::cout << std::endl;
- return 0;
- }
复制代码
3.2 迭代器的使用
迭代器是访问 list 元素的关键工具。 list 提供正向迭代器 begin() 和 end() ,以及反向迭代器 rbegin() 和 rend() 。
- cpp
- #include <list>
- #include <iostream>
- int main() {
- std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};
- // 正向遍历
- for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {
- std::cout << *it << " ";
- }
- std::cout << std::endl;
- // 反向遍历
- for (auto rit = myList.rbegin(); rit != myList.rend(); ++rit) {
- std::cout << *rit << " ";
- }
- std::cout << std::endl;
- return 0;
- }
复制代码
必要注意的是, begin() 和 end() 是正向迭代器,对着实行 ++ 使用,迭代器向后移动; rbegin() 和 rend() 是反向迭代器,对着实行 ++ 使用,迭代器向前移动。
3.3 容量相干使用
- empty() :检测 list 是否为空,返回 true 或 false 。
- size() :返回 list 中有用节点的个数。
- cpp
- #include <list>
- #include <iostream>
- int main() {
- std::list<int> myList;
- std::cout << "Is myList empty? " << (myList.empty()? "Yes" : "No") << std::endl;
- myList.push_back(1);
- std::cout << "Size of myList: " << myList.size() << std::endl;
- return 0;
- }
复制代码
3.4 元素访问相干使用
- front() :返回 list 的第一个节点中值的引用。
- back() :返回 list 的末了一个节点中值的引用。
- cpp
- #include <list>
- #include <iostream>
- int main() {
- std::list<int> myList = {10, 20, 30};
- std::cout << "First element: " << myList.front() << std::endl;
- std::cout << "Last element: " << myList.back() << std::endl;
- return 0;
- }
复制代码 3.5 修改器使用
- push_front(val) :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(val) :在 list 尾部插入值为 val 的元素。
- pop_back() :删除 list 中末了一个元素。
- insert(position, val) :在 list 的 position 位置中插入值为 val 的元素。
- erase(position) :删除 list 中 position 位置的元素。
- swap(other_list) :互换两个 list 中的元素。
- clear() :清空 list 中的有用元素。
- cpp
- #include <list>
- #include <iostream>
- int main() {
- std::list<int> myList;
- myList.push_back(1);
- myList.push_back(2);
- myList.push_front(0);
- myList.pop_back();
- myList.pop_front();
- auto it = myList.begin();
- myList.insert(it, 10);
- myList.erase(it);
- std::list<int> anotherList = {3, 4};
- myList.swap(anotherList);
- myList.clear();
- return 0;
- }
复制代码
3.6 迭代器失效标题
由于 list 的底层是双向链表,在插入元素时,不会导致迭代器失效。但在删除元素时,指向被删除节点的迭代器会失效,其他迭代器不受影响。比方:
- cpp
- #include <list>
- #include <iostream>
- void TestListIterator() {
- int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
- std::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
- auto it = l.begin();
- while (it != l.end()) {
- l.erase(it++); // 正确做法,erase后it已经指向下一个有效元素
- }
- }
复制代码
假如写成 l.erase(it); ++it; ,在 erase 使用后 it 已经失效,再对其进行 ++ 使用就会堕落。
四、list的模拟实现
4.1 节点界说
- cpp
- template <typename T>
- struct ListNode {
- T data;
- ListNode* prev;
- ListNode* next;
- ListNode(const T& val)
- : data(val)
- , prev(nullptr)
- , next(nullptr)
- {}
- };
复制代码
4.2 迭代器实现
- cpp
- template <typename T, typename Ref, typename Ptr>
- struct ListIterator {
- using iterator_category = std::bidirectional_iterator_tag;
- using value_type = T;
- using reference = Ref;
- using pointer = Ptr;
- using node = ListNode<T>;
- node* ptr;
- ListIterator(node* p) : ptr(p) {}
- reference operator*() { return ptr->data; }
- pointer operator->() { return &(ptr->data); }
- ListIterator& operator++() {
- ptr = ptr->next;
- return *this;
- }
- ListIterator operator++(int) {
- ListIterator temp = *this;
- ptr = ptr->next;
- return temp;
- }
- ListIterator& operator--() {
- ptr = ptr->prev;
- return *this;
- }
- ListIterator operator--(int) {
- ListIterator temp = *this;
- ptr = ptr->prev;
- return temp;
- }
- bool operator!=(const ListIterator& other) const { return ptr != other.ptr; }
- bool operator==(const ListIterator& other) const { return ptr == other.ptr; }
- };
复制代码
4.3 list类实现
list访问变量方式为迭代器访问(指针),list的访问是通过指针来访问其空间的差异节点, ListNode<T>* head;目标是确定哨兵卫,便于后续遍历。
五、list与vector的对比
表格
| 特性 | vector | list | | 底层布局 | 动态序次表,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,访问某个元素服从 O(1) | 不支持随机访问,访问某个元素服从 O(n) | | 插入和删除 | 恣意位置插入和删除服从低,必要搬移元素,时间复杂度为 O(n) ,插入时大概必要增容 | 恣意位置插入和删除服从高,不必要搬移元素,时间复杂度为 O(1) | | 空间使用率 | 底层为连续空间,不轻易造成内存碎片,空间使用率高,缓存使用率高 | 底层节点动态开辟,末节点轻易造成内存碎片,空间使用率低,缓存使用率低 | | 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 | 插入元素时,大概导致重新扩容,使原来迭代器失效;删除时,当前迭代器必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 | 必要高效存储,支持随机访问,不关心插入删除服从 | 大量插入和删除使用,不关心随机访问 |
完备代码
- #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
- #pragma once
- #include <iostream>
- using namespace std;
- #include <assert.h>
- namespace ldg
- {
- // List的节点类
- 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 的迭代器
- 迭代器有两种实现方式,具体应根据容器底层数据结构实现:
- 1. 原生态指针,比如:vector
- 2. 将原生态指针进行封装,因迭代器使用形式与指针完全相同,因此在自定义的类中必须实现以下方法:
- 1. 指针可以解引用,迭代器的类中必须重载operator*()
- 2. 指针可以通过->访问其所指空间成员,迭代器类中必须重载oprator->()
- 3. 指针可以++向后移动,迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
- 至于operator--()/operator--(int)释放需要重载,根据具体的结构来抉择,双向链表可以向前 移动,所以需要重载,如果是forward_list就不需要重载--
- 4. 迭代器需要进行是否相等的比较,因此还需要重载operator==()与operator!=()
- */
- template<class T, class Ref, class Ptr>
- class ListIterator
- {
- typedef ListNode<T> Node;
- typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
- // Ref 和 Ptr 类型需要重定义下,实现反向迭代器时需要用到
- public:
- typedef Ref Ref;
- typedef Ptr Ptr;
- public:
- //////////////////////////////////////////////
- // 构造
- ListIterator(Node* node = nullptr)
- : _node(node)
- {}
- //////////////////////////////////////////////
- // 具有指针类似行为
- Ref operator*()
- {
- return _node->_val;
- }
- Ptr operator->()
- {
- return &(operator*());
- }
- //////////////////////////////////////////////
- // 迭代器支持移动
- Self& operator++()
- {
- _node = _node->_next;
- return *this;
- }
- Self operator++(int)
- {
- Self temp(*this);
- _node = _node->_next;
- return temp;
- }
- Self& operator--()
- {
- _node = _node->_prev;
- return *this;
- }
- Self operator--(int)
- {
- Self temp(*this);
- _node = _node->_prev;
- return temp;
- }
- //////////////////////////////////////////////
- // 迭代器支持比较
- bool operator!=(const Self& l)const
- {
- return _node != l._node;
- }
- bool operator==(const Self& l)const
- {
- return _node != l._node;
- }
- Node* _node;
- };
- template<class Iterator>
- class ReverseListIterator
- {
- // 注意:此处typename的作用是明确告诉编译器,Ref是Iterator类中的一个类型,而不是静态成员变量
- // 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
- // 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
- public:
- typedef typename Iterator::Ref Ref;
- typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
- typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
- public:
- //////////////////////////////////////////////
- // 构造
- ReverseListIterator(Iterator it)
- : _it(it)
- {}
- //////////////////////////////////////////////
- // 具有指针类似行为
- Ref operator*()
- {
- Iterator temp(_it);
- --temp;
- return *temp;
- }
- Ptr operator->()
- {
- return &(operator*());
- }
- //////////////////////////////////////////////
- // 迭代器支持移动
- Self& operator++()
- {
- --_it;
- return *this;
- }
- Self operator++(int)
- {
- Self temp(*this);
- --_it;
- return temp;
- }
- Self& operator--()
- {
- ++_it;
- return *this;
- }
- Self operator--(int)
- {
- Self temp(*this);
- ++_it;
- return temp;
- }
- //////////////////////////////////////////////
- // 迭代器支持比较
- bool operator!=(const Self& l)const
- {
- return _it != l._it;
- }
- bool operator==(const Self& l)const
- {
- return _it != l._it;
- }
- Iterator _it;
- };
- template<class T>
- class list
- {
- typedef ListNode<T> Node;
- public:
- // 正向迭代器
- typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
- typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
- // 反向迭代器
- typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
- typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
- public:
- ///////////////////////////////////////////////////////////////
- // List的构造
- 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();
- while (first != last)
- {
- push_back(*first);
- ++first;
- }
- }
- list(const list<T>& l)
- {
- CreateHead();
- // 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换
- list<T> temp(l.begin(), l.end());
- this->swap(temp);
- }
- list<T>& operator=(list<T> l)
- {
- this->swap(l);
- return *this;
- }
- ~list()
- {
- clear();
- delete _head;
- _head = nullptr;
- }
- ///////////////////////////////////////////////////////////////
- // List的迭代器
- 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);
- }
- 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());
- }
- ///////////////////////////////////////////////////////////////
- // List的容量相关
- size_t size()const
- {
- Node* cur = _head->_next;
- size_t count = 0;
- while (cur != _head)
- {
- count++;
- cur = cur->_next;
- }
- return count;
- }
- bool empty()const
- {
- return _head->_next == _head;
- }
- void resize(size_t newsize, const T& data = T())
- {
- size_t oldsize = size();
- if (newsize <= oldsize)
- {
- // 有效元素个数减少到newsize
- while (newsize < oldsize)
- {
- pop_back();
- oldsize--;
- }
- }
- else
- {
- while (oldsize < newsize)
- {
- push_back(data);
- oldsize++;
- }
- }
- }
- ////////////////////////////////////////////////////////////
- // List的元素访问操作
- // 注意:List不支持operator[]
- 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;
- }
- ////////////////////////////////////////////////////////////
- // List的插入和删除
- 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* pNewNode = new Node(val);
- Node* pCur = pos._node;
- // 先将新节点插入
- pNewNode->_prev = pCur->_prev;
- pNewNode->_next = pCur;
- pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
- pCur->_prev = pNewNode;
- return iterator(pNewNode);
- }
- // 删除pos位置的节点,返回该节点的下一个位置
- iterator erase(iterator pos)
- {
- // 找到待删除的节点
- Node* pDel = pos._node;
- Node* pRet = pDel->_next;
- // 将该节点从链表中拆下来并删除
- pDel->_prev->_next = pDel->_next;
- pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
- delete pDel;
- return iterator(pRet);
- }
- void clear()
- {
- Node* cur = _head->_next;
- // 采用头删除删除
- while (cur != _head)
- {
- _head->_next = cur->_next;
- delete cur;
- cur = _head->_next;
- }
- _head->_next = _head->_prev = _head;
- }
- void swap(ldg::list<T>& l)
- {
- std::swap(_head, l._head);
- }
- private:
- void CreateHead()
- {
- _head = new Node;
- _head->_prev = _head;
- _head->_next = _head;
- }
- private:
- Node* _head;
- };
- }
- ///////////////////////////////////////////////////////
- // 对模拟实现的list进行测试
- // 正向打印链表
- template<class T>
- void PrintList(const ldg::list<T>& l)
- {
- auto it = l.begin();
- while (it != l.end())
- {
- cout << *it << " ";
- ++it;
- }
- cout << endl;
- }
- // 测试List的构造
- void TestBiteList1()
- {
- ldg::list<int> l1;
- ldg::list<int> l2(10, 5);
- PrintList(l2);
- int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
- ldg::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
- PrintList(l3);
- ldg::list<int> l4(l3);
- PrintList(l4);
- l1 = l4;
- PrintList(l1);
- }
- // PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
- void TestBiteList2()
- {
- // 测试PushBack与PopBack
- ldg::list<int> l;
- l.push_back(1);
- l.push_back(2);
- l.push_back(3);
- PrintList(l);
- l.pop_back();
- l.pop_back();
- PrintList(l);
- l.pop_back();
- cout << l.size() << endl;
- // 测试PushFront与PopFront
- l.push_front(1);
- l.push_front(2);
- l.push_front(3);
- PrintList(l);
- l.pop_front();
- l.pop_front();
- PrintList(l);
- l.pop_front();
- cout << l.size() << endl;
- }
- // 测试insert和erase
- void TestBiteList3()
- {
- int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
- ldg::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
- auto pos = l.begin();
- l.insert(l.begin(), 0);
- PrintList(l);
- ++pos;
- l.insert(pos, 2);
- PrintList(l);
- l.erase(l.begin());
- l.erase(pos);
- PrintList(l);
- // pos指向的节点已经被删除,pos迭代器失效
- cout << *pos << endl;
- auto it = l.begin();
- while (it != l.end())
- {
- it = l.erase(it);
- }
- cout << l.size() << endl;
- }
- // 测试反向迭代器
- void TestBiteList4()
- {
- int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
- ldg::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
- auto rit = l.rbegin();
- while (rit != l.rend())
- {
- cout << *rit << " ";
- ++rit;
- }
- cout << endl;
- const ldg::list<int> cl(l);
- auto crit = l.rbegin();
- while (crit != l.rend())
- {
- cout << *crit << " ";
- ++crit;
- }
- cout << endl;
- }
复制代码 六、总结
list 容器依附其独特的双向链表布局,在插入和删除使用上具有高效性,适用于必要频仍进行这些使用的场景。通过深入明白其接口和实现原理,我们可以在现实编程中更好地运用它,同时与 vector 等其他容器对比,能更清晰地知道在差异需求下如何选择合适的容器。希望这篇博客能资助各人对 list 容器有更全面、深入的认识。
免责声明:如果侵犯了您的权益,请联系站长,我们会及时删除侵权内容,谢谢合作!更多信息从访问主页:qidao123.com:ToB企服之家,中国第一个企服评测及商务社交产业平台。 |