由浅到深-模拟实现list-创新互联
前言
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作者：小蜗牛向前冲
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目录
一 、见见STL中的list
1、list的介绍
2、list的常见接口
二、list的模拟实现
1、list框架搭建
2、模拟实现list迭代器
3、list整体实现
三、list和vector的对比
1、对比二者的优缺点
2、list和vector的排序效率
本期学习目标：认识STL中的list，模拟实现list,对list的迭代器深入理解，对比list和vector。
一 、见见STL中的list 1、list的介绍下面我们了看看cpulcpul官网中的介绍：
文档介绍：
- 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。
- 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。
- 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。
- 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
- 与其他序列式容器相比，list和forward_list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)。
从上面的介绍中我们初步认识到了list的是带头双向链表，对于要掌握的数据结构之一，下面我们一起来回忆一下他的增删查改操作。
2、list的常见接口list的有很多接口，下面我们主要介绍几个重点接口：
list的构造
因为list在C++中是用类来封装的，他也就有自己的构造函数，但由于list初始化的场景非常多，所以他有多个构造函数，下面的在模拟实现的时候可以细细体会，下面我们先见见有哪些构造函数：
构造函数(Construct) | 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 |
list modifiers
为来对list进行修改，也提供了一些修改的接口：
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 |
为了更好的理解list的底层实现，下面将大家一起去模拟实现list。
1、list框架搭建我们要模式实现list，而list是个带头双向链表，那么我们首先搭建一个list_node的类模板
struct list_node
{
list_node* _next;//指向后一个节点
list_node* _prev;//指向前一个节点
T _data;//节点中的数据
list_node(const T& x)
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _data(x)
{}
}; 这里我们要注意的是我们不仅仅定义了节点的指向，我们还应该对节点进行初始化。
有了节点，那么我们就应该定义list类的主体，他的私有变量应该要有指向list_node的指针head,和记录链表个数的size,为了方便定义，这里我们可以直接对list_node的变量名重定义。
templateclass list
{
typedef list_nodenode;
public:
//各种成员函数
private:
node* _head;
size_t _size;
}; 下面我们就要实现各种成员函数就可以了，但是在实现成员函数之前，我们要先实现list的迭代器。
2、模拟实现list迭代器我们在模式实现vector的迭代器的时候，认为迭代器就是一个指针。那么我们这里也可以把list的迭代器当作指针实现吗？这里显然是不可以的，为什么这么说呢？
当一个指针++他跳过的是他的一个类型的大小，但是list节点并不是挨个存储的他节点的空间是随机的，节点间是依靠节点中存放对方的地址指向对方的。
其实不仅仅++操作不满足，还有许多操作都是不满足的，如--操作。
我们又该如何解决这个问题呢？
其实我们可以用一个类模板，包含迭代器功能的成员函数，就可以解决。当我们调用迭代器时其实就是调用类模板中的成员函数。
但是这里要注意一个细节：由于成员函数他的返回值可能存在类型的差异，比如：*解引用的时候，返回_pnode->_data,但是->的时候是&_pode->_data;
这样类模板的参数就不仅仅是一个模板参数，而要三个模板参数才能解决。
//定义迭代器
templatestruct __list_iterator
{
typedef list_nodenode;
typedef __list_iteratorSelf;
node* _pnode;
//初始化
__list_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
Ptr operator->()
{
return &_pnode->_data;
}
Ref operator*()
{
return _pnode->_data;
}
Self& operator++()
{
_pnode = _pnode->_next;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_next;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
_pnode = _pnode->prev;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_prev;
return tmp;
}
bool operator!=(const Self it)const
{
return _pnode != it._pnode;
}
bool operator==(const Self& it)const
{
return _pnode == it._pnode;
}
}; 其实不少同学可能会困惑，为什么要在迭代器中重载出->,这个不是我们在用结构体或者类中指针成员才用到的吗？
我们要明白list节点中可能存放的不是数据,也可能是存放指针一个结构体的指针。
下面我们来看代码理解：
struct Pos
{
int _row;
int _col;
Pos(int row = 0, int col = 0)
:_row(row)
, _col(col)
{}
};
void print_list(const list& lt)
{
list::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//it->_row++;
cout<< it->_row<< ":"<< it->_col<< endl;
++it;
}
cout<< endl;
}
void test3()
{
listlt;
Pos p1(1, 1);
lt.push_back(p1);
lt.push_back(p1);
lt.push_back(p1);
lt.push_back(Pos(2, 2));
lt.push_back(Pos(3, 3));
// int* p ->*p
// Pos* p ->p->list::iterator it = lt.begin();
//list::iterator it2 = it;
while (it != lt.end())
{
it->_row++;
//cout<< (&(*it))->_row<< ":"<< (*it)._col<< endl;
cout<< it->_row<< ":"<< it->_col<< endl;
//cout<< it.operator->()->_row<< ":"<< it->_col<< endl;
++it;
}
cout<< endl;
print_list(lt);
} 
这里我们定义了一个Pos的类，他的功能就是记录row 和col,在定义一个函数print_list打印list中的做标，下面在我们的测试函数在插入一些数据。如果是在测试函数体内打印lt本来是非常复杂的如果没有重载迭代器的->.
这里理解: (&(*it))->_row？----->简单的来是就是要拿到这个it节点中的数据
如果我们要拿到Pos中的数据就只要用Pos创建一个变量p,p->row,就能拿到类中的数据，但是现在我们只有一个指向链表节点的迭代器，也就是只要我们*解引用it就能拿到节点中的数据，但是节点中的数据是一个类的，要能到类Pos的数据就要拿到类的地址，并用->指向结构体中变量的数据。
听起来是不是好晕，所以为了简化操作我们就在迭代器的类中封装了->.
Ptr operator->()
{
return &_pnode->_data;//&这里是取地址，也就是说返回的指针
}迭代器失效问题
我们都知道迭代器是用类封装好的里面有功能各异的成员函数，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。
3、list整体实现这里我们在整体实现的时候仍然采取分文件的做法，test.cpp用来包含所要的头文件，list.h用来实现list的主体内容。
test.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include#include
using namespace std;
#include"list.h"
int main()
{
pjb::test1();
return 0;
} list.h
#pragma once//防止头文件被多次包含
namespace pjb
{
templatestruct list_node
{
list_node* _next;
list_node* _prev;
T _data;
list_node(const T& x)
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _data(x)
{}
};
//定义迭代器
templatestruct __list_iterator
{
typedef list_nodenode;
typedef __list_iteratorSelf;
node* _pnode;
//初始化
__list_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
Ptr operator->()
{
return &_pnode->_data;
}
Ref operator*()
{
return _pnode->_data;
}
Self& operator++()
{
_pnode = _pnode->_next;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_next;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
_pnode = _pnode->prev;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_prev;
return tmp;
}
bool operator!=(const Self it)const
{
return _pnode != it._pnode;
}
bool operator==(const Self& it)const
{
return _pnode == it._pnode;
}
};
//定义lsit的类
templateclass list
{
typedef list_nodenode;
public:
typedef __list_iteratoriterator;
typedef __list_iteratorconst_iterator;
//初始化哨兵位的头
void empty_initialize()
{
_head = new node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
//构造函数
list()
{
empty_initialize();
}
//析构函数
~list()
{
clear();
//清除头节点
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
templatelist(InputIterator first, InputIterator last)
{
empty_initialize();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
//交换
void swap(list& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
//lt2(lt1)
list(const list& lt)
{
empty_initialize();
listtmp(lt.begin(), lt.end());
swap(tmp);
}
//lt3 = lt1
list& operator=(listlt)
{
swap(lt);
return *this;
}
//删除
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);
}
//插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
//为插入申请新空间
node* newnode = new node(x);
node* cur = pos._pnode;//指向要插入位置的节点
node* prev = cur->_prev;
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);//返回新节点的地址
}
//尾插
void push_back(const T& x)
{
insert(end(),x);
}
//头插
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
//尾删除
void pop_back()
{
erase(--end());
}
bool empty()const
{
return _size == 0;
}
size_t size()const
{
return _size;
}
private:
node* _head;
size_t _size;
};
//简单测试
void test1()
{
listlt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
list::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout<< *it<< " ";
++it;
}
cout<< endl;
}
} 这里我们看到模拟实现的时候，我们还写了一个测试案例，下面去验证一下
vector
Vector的优缺点 | |
优点 | 缺点 |
下标支持随机访问 | 前面部分效率低O（N） |
尾插尾删效率高 | 扩容有消耗，存在一定的空间浪费 |
Cpu高速缓存命中高 | |
list
list的优缺点 | |
优点 | 缺点 |
按需申请空间，无需扩容 | 不支持随机访问 |
任意位置插入删除O(1) | Cpu高速缓存命中低 |
这里我们要注意的是list有自己专门sort排序，而vector是用算法库中的排序，这是因为list的结构的特殊性，算法库中的不能够满足list的排序。
那二者那个效率更好呢?
测试10万个数据二者的排序时间的差异：
void test_op()
{
srand(time(0));
const int N = 100000;
vectorv;
v.reserve(N);
listlt;
for (int i = 0; i< N; ++i)
{
auto e = rand();
v.push_back(e);
lt.push_back(e);
}
int begin1 = clock();
//对v排序
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
//对lt排序
lt.sort();
int end2 = clock();
printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}
int main()
{
test_op();
return 0;
} 
从上面来看vector的排序效率是远大于list的，所以我们一个尽量不要使用list的排序。
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