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1.1 list的介绍 list的文档介绍 1. 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#xff0c;并且该容器可以前后双向迭代。 2. list的底层是双向链表结构#xff0c;双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中#xff0c;在节点…一、list的介绍及使用
1.1 list的介绍 list的文档介绍 1. 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。 2. 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。 3. 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。 4. 与其他的序列式容器相比(arrayvectordeque)list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。 5. 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 1.2.1. list的构造
(constructor)构造函数声明接口说明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listlist (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 1.2.2. list iterator的使用
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。
函数声明接口说明begin end重点返回第一个元素的迭代器返回最后一个元素下一个位置的迭代器rbegin rend返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置返回最后一个元素下一个位置的 reverse_iterator,即begin位置
【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 1.2.3. list capacity
函数声明接口说明size返回list中有效节点的个数empty检测list是否为空是返回true否则返回fals
1.2.4. list 元素访问
函数声明接口说明front尾插back尾 1.2.5. list增删查改
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 list中还有一些操作需要用到时可参阅list的文档说明。
代码演示:
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include iostream
using namespace std;
#include list
#include vector// list的构造
void TestList1()
{listint l1; // 构造空的l1listint l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素listint l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()左闭右开的区间构造l3listint l4(l3); // 用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] { 16,2,77,29 };listint l5(array, array sizeof(array) / sizeof(int)); //array sizeof(array) / sizeof(int) 是一个指向 array 数组最后一个元素的下一个位置的指针// 列表格式初始化C11listint l6{ 1,2,3,4,5 };// 用迭代器方式打印l5中的元素listint::iterator it l5.begin();while (it ! l5.end()){cout *it ; //16 2 77 29it;}cout endl;/*C11对于标准库中的容器类型可以使用范围for循环来遍历其中的元素。*/ for (auto e : l6)cout e ; //1 2 3 4 5cout endl;cout ------------------------------------------------- endl;}// list迭代器的使用
/*注意遍历链表只能用迭代器和范围for,
* 因为链表list是一种双向链表结构
它的元素不是在内存中连续存储的而是通过指针进行连接。
由于链表的元素之间没有连续的内存布局
因此无法使用普通的索引操作来访问链表中的元素。
*/ /*使用了 const 修饰符来表示传入的参数 l 是一个常量引用
即不允许在函数内部修改传入的列表对象。
*/
void PrintList(const listint l)
{// 注意这里调用的是list的 begin() const返回list的const_iterator对象for (listint::const_iterator it l.begin(); it ! l.end(); it){cout *it ;// *it 10; 编译不通过/*对于常量引用对象我们只能通过常量迭代器来访问容器中的元素这可以确保在遍历过程中不会对列表进行修改。因此得到的是 const_iterator 对象,不能通过这个迭代器来修改列表中的元素比如 *it 10 这样的操作是不被允许的。*/}cout endl;
}void TestList2()
{int array[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };listint l(array, array sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 使用正向迭代器正向list中的元素// listint::iterator it l.begin(); // C98中语法/*使用 auto 声明变量可以让编译器自动推导出变量的类型从而简化代码书写。还可以避免类型名重复的问题。在C98中语法中声明迭代器对象时需要写出完整的类型名 listint::iterator 或 listint::reverse_iterator这样容易使代码变得冗长降低代码的可读性。*/auto it l.begin(); // C11之后推荐写法while (it ! l.end()){cout *it ; //1 2 3 4 5 6 7 8 9 0it;}cout endl;// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素// listint::reverse_iterator rit l.rbegin();auto rit l.rbegin();while (rit ! l.rend()){cout *rit ; //0 9 8 7 6 5 4 3 2 1rit;}cout endl;cout ------------------------------------------------- endl;
}// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{int array[] { 1, 2, 3 };listint L(array, array sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 在list的尾部插入4头部插入0L.push_back(4);L.push_front(0);PrintList(L); //0 1 2 3 4// 删除list尾部节点和头部节点L.pop_back();L.pop_front();PrintList(L); //1 2 3cout ------------------------------------------------- endl;
}// insert /erase
void TestList4()
{int array1[] { 1, 2, 3 };listint L(array1, array1 sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));// 获取链表中第二个节点auto pos L.begin();cout *pos endl; //2// 在pos前插入值为4的元素L.insert(pos, 4);PrintList(L); //1 4 2 3// 在pos前插入5个值为5的元素L.insert(pos, 5, 5);PrintList(L); //1 4 5 5 5 5 5 2 3// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素vectorint v{ 7, 8, 9 };L.insert(pos, v.begin(), v.end());PrintList(L); //1 4 5 5 5 5 5 7 8 9 2 3// 删除pos位置上的元素L.erase(pos);PrintList(L); //1 4 5 5 5 5 5 7 8 9 3// 删除list中[begin, end)区间中的元素即删除list中的所有元素L.erase(L.begin(), L.end());PrintList(L); //空cout ------------------------------------------------- endl;
}// resize/swap/clear
void TestList5()
{// 用数组来构造listint array1[] { 1, 2, 3 };listint l1(array1, array1 sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));PrintList(l1);// 交换l1和l2中的元素listint l2;l1.swap(l2);PrintList(l1); //空PrintList(l2); //1 2 3// 将l2中的元素清空l2.clear();cout l2.size() endl; //0
}
int main()
{TestList1();TestList2();TestList3();TestList4();TestList5();return 0;} 1.2.6 list的迭代器失效 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 };listint l(array, arraysizeof(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;}
} 二、list的模拟实现
2.1 模拟实现list #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#pragma once#include iostream
using namespace std;
#include assert.hnamespace abc {// List的节点类templateclass Tstruct ListNode {ListNode(const T val T()): _prev(nullptr), _next(nullptr), _val(val){}ListNodeT* _prev;ListNodeT* _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vector2. 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!()*//** T表示被模板化的类型可以是任何类型Ref表示一个引用类型通常通过 T 或 const T 得到Ptr表示一个指针类型通常通过 T* 或 const T* 得到。*/templateclass T, class Ref, class Ptrclass ListIterator {typedef ListNodeT Node;typedef ListIteratorT, Ref, Ptr Self;//T, Ref, Ptr 是模板参数列表用于指定模板类的模板参数。// 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;};templateclass Iteratorclass 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 ReverseListIteratorIterator 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/*通过将这些成员函数声明为 const我们告诉编译器这些函数不会对对象的状态进行更改。这样做有两个主要好处对于用户来说使用 const 可以传达清晰的语义即这些函数不会修改对象的状态。对于编译器来说它可以强制执行不修改对象状态的约定并且允许在 const 对象上调用这些函数。*/bool operator!(const Self l)const {return _it ! l._it;}bool operator(const Self l)const {return _it ! l._it;}Iterator _it;};templateclass Tclass list {typedef ListNodeT Node;public:// 正向迭代器/*iterator 类型适用于对非常量容器对象进行迭代操作它返回的迭代器允许修改容器中元素的值。const_iterator 类型适用于对常量容器对象进行迭代操作它返回的迭代器不允许修改容器中元素的值。*/typedef ListIteratorT, T, T* iterator;typedef ListIteratorT, const T, const T const_iterator;// 反向迭代器typedef ReverseListIteratoriterator reverse_iterator;typedef ReverseListIteratorconst_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 //表示这是一个接受任意类型 Iterator 的模板构造函数。//接受两个迭代器参数 first 和 last用来指定要初始化列表的范围。list(Iterator first, Iterator last) {CreateHead();//创建一个空的列表while (first ! last) {push_back(*first);first;}}list(const listT l) {CreateHead();// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换listT temp(l.begin(), l.end());this-swap(temp);}listT operator(listT 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);}/*在 C 中如果一个成员函数不会修改对象的成员变量那么可以将其声明为常量成员函数以便在常量对象上调用。这样做的目的是为了保证在常量对象上进行逆向遍历时不会对对象的状态产生任何影响。*/// const 关键字用于修饰成员函数的声明表示这些成员函数是类的常量成员函数。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newsizewhile (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(abc::listT 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
//auto 用于自动推导变量的类型
templateclass T
void PrintList(const abc::listT l) {auto it l.begin();while (it ! l.end()) {cout *it ;it;}cout endl;
}// 测试List的构造
void TestAbcList1() {abc::listint l1;abc::listint l2(10, 5);PrintList(l2);int array[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };abc::listint l3(array, array sizeof(array) / sizeof(array[0]));PrintList(l3);abc::listint l4(l3);PrintList(l4);l1 l4;PrintList(l1);cout ---------------------- endl;
}// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestAbcList2() {// 测试PushBack与PopBackabc::listint 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PopFrontl.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;cout ---------------------- endl;
}// 测试insert和erase
void TestAbcList3() {int array[] { 1, 2, 3, 4, 5 };abc::listint 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;cout ---------------------- endl;
}// 测试反向迭代器
void TestAbcList4() {int array[] { 1, 2, 3, 4, 5 };abc::listint l(array, array sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto rit l.rbegin();while (rit ! l.rend()) {cout *rit ;rit;}cout endl;const abc::listint cl(l);auto crit l.rbegin();while (crit ! l.rend()) {cout *crit ;crit;}cout endl;cout ---------------------- endl;
}
int main() {TestAbcList1();TestAbcList2();TestAbcList3();TestAbcList4();return 0;
}
2.2 list的反向迭代器 通过前面例子知道反向迭代器的就是正向迭代器的--反向迭代器的--就是正向迭代器的因此反向迭 代器的实现可以借助正向迭代器即反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器对正向迭代器的接口进行 包装即可。 #include iostream
// 迭代器类提供指向数组元素的迭代器
class Iterator {
public:// 定义引用类型Ref和指针类型Ptrtypedef int Ref;typedef int* Ptr;//构造函数初始化_ptr为参数ptrIterator(int* ptr) : _ptr(ptr) {}// 重载解引用操作符*返回_ptr所指向的元素的引用Ref operator*() { return *_ptr; }// 重载箭头操作符-返回_ptr的地址Ptr operator-() { return _ptr; }// 重载前置递增操作符将_ptr的值加1后返回自身的引用Iterator operator() {_ptr;return *this;}// 重载前置递减操作符--将_ptr的值减1后返回自身的引用Iterator operator--() {--_ptr;return *this;}// 重载不等于操作符!判断_ptr与other._ptr是否不相等bool operator!(const Iterator other) const {return _ptr ! other._ptr;}// 重载等于操作符判断_ptr与other._ptr是否相等bool operator(const Iterator other) const {return _ptr other._ptr;}private:int* _ptr; // 指向数组元素的指针
};// 反向迭代器类提供指向数组元素的反向迭代器
templateclass Iterator
class ReverseListIterator {// typename的作用是明确告诉编译器Ref是Iterator类中的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:// typename的作用是明确告诉编译器Ref是Iterator类中的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//typedef作用是定义别名typedef typename Iterator::Ref Ref; // 定义Iterator的引用类型为Ref,Iterator::Ref代表了Iterator类中的引用类型它在这里表示迭代器所指向元素的引用类型为int。typedef typename Iterator::Ptr Ptr; // 定义Iterator的指针类型为Ptr,Iterator::Ptr代表了Iterator类中的指针类型它在这里表示迭代器所指向元素的指针类型为int*。typedef ReverseListIteratorIterator Self; // 定义自身类型为Self
public://// 构造函数初始化_it为参数itReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {} // 初始化_it为参数it
//
// 具有指针类似行为// 重载解引用操作符*返回_it所指向元素的前一个元素的引用Ref operator*() { // 重载解引用操作符*Iterator temp(_it); // 创建临时迭代器temp初始值为_it--temp; // 对temp进行前置递减操作return *temp; // 返回temp所指向的元素的引用}Ptr operator-() { // 重载箭头操作符-return (operator*()); // 返回operator*()的地址}//// 迭代器支持移动Self operator() { // 重载前置递增操作符--_it; // 对_it进行前置递减操作return *this; // 返回自身的引用}Self operator(int) { // 重载后置递增操作符Self temp(*this); // 创建临时迭代器temp初始值为*this--_it; // 对_it进行前置递减操作return temp; // 返回临时迭代器temp}Self operator--() { // 重载前置递减操作符--_it; // 对_it进行前置递增操作return *this; // 返回自身的引用}Self operator--(int) { // 重载后置递减操作符--Self temp(*this); // 创建临时迭代器temp初始值为*this_it; // 对_it进行前置递增操作return temp; // 返回临时迭代器temp}//// 迭代器支持比较bool operator!(const Self l)const { // 重载不等于操作符!return _it ! l._it; // 判断_it与l._it是否不相等}bool operator(const Self l)const { // 重载等于操作符return _it l._it; // 判断_it与l._it是否相等}Iterator _it; // 迭代器成员变量
};int main() {int arr[] { 1, 2, 3, 4, 5 };// 创建正向迭代器指向数组的开始和结束位置Iterator begin(arr);Iterator end(arr 5);// 创建逆向迭代器指向数组的结束位置和开始位置ReverseListIteratorIterator rbegin(end);ReverseListIteratorIterator rend(begin);for (ReverseListIteratorIterator it rbegin; it ! rend; it) {std::cout *it ;}std::cout std::endl;return 0;
}三、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
