【C++】list的介绍及模拟实现-创新互联

🌈感谢阅读East-sunrise学习分享——list的介绍及模拟实现

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今天想分享介绍一下STL的容器之一list，以及进行模拟实现📌

• 一、list的介绍
• 二、list的模拟实现（简易版--过渡）
• 三、迭代器
• • 1.迭代器的定义
  • 2.迭代器的功能分类
  • 3.迭代器失效
  • 4.list迭代器的模拟实现
  • • 1.普通迭代器
    • 2.const迭代器
  • 5.迭代器operator->的重载
  • 6.迭代器的价值
• 四、vector和list的优缺点
• • 1.vector
  • 2.list
• 五、代码实现

• 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的底层结构即是链表，这里附上博主之前关于【数据结构】链表的博客【数据结构-链表】有助于熟悉list的底层结构
• 关于list的使用并不复杂，相信学到这的兄弟以及拥有了查文档的能力，博主就不再赘述list各种接口的具体用法，附上文档介绍list使用文档

有了之前对数据结构——链表的知识基础，其实list的底层结构也并不神秘了，而list相较于前面的string、vector容器特别的地方就在于其迭代器，今天我们重点放在list的模拟实现及迭代器的介绍

list底层结构是带头双向链表

templatestruct list_node
{list_node* _next;//指向下一个节点
	list_node* _prev;//指向前一个节点
	T _data;//节点数据
    //构造函数
	list_node(const T& x)
		:_next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		, _data(x)
	{}
};

定义完list的节点，接下来即是list的主要结构

namespace qdy
{templatestruct list_node
	{list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _data;

		list_node(const T& x)
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

	templateclass list
	{typedef list_nodenode;
	public:
		list()
		{	_head = new node(T());
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
            _size = 0;
		}
        
		//尾插
		void push_back(const T& x)
		{	node* newnode = new node(x);
			node* tail = _head->_prev;
			// _head         tail   newnode
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}

	private:
		node* _head;//哨兵位的头节点
		size_t _size;//记录节点个数
	};

以上便是list的结构框架（简易版实现），目前仅有尾插的接口，用于对list容器中添加数据✏️

添加数据后我们想要遍历打印怎么办呢？那就需要用到STL六大组件之一的迭代器🧮

iterator的模式定义：“提供一种方法，使之能够依序巡访某个聚合物（容器）所含的各个元素，而又无需暴露该聚合物的内部表述方式。”

——《STL源码剖析》

🎈通俗理解：容器用于存放数据，存放数据便有访问数据读写数据的需求，STL六大组件之一的迭代器，便是给每个容器提供一个便于读取数据的方法

1. 单向迭代器：只能++，不能–。例如单链表、哈希表
2. 双向迭代器：既能++也能–。例如双向链表
3. 随机访问迭代器：能+±-，也能+和-。例如vector和string

迭代器是内嵌类型，通常定义为内部类或者直接定义在类中

对于list，迭代器在进行insert操作后不失效，在进行erase操作后失效❌

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 };
 	listl(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 };
 	listl(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
 	auto it = l.begin();
 	while (it != l.end())
 	{it = l.erase(it);
        //为了避免迭代器失效的问题，erase接口提供了返回值可接收，该返回值为删除后的下一节点
 	}
}

在对迭代器模拟实现之前，我们要搞清楚list迭代器要有什么功能？

1. 支持解引用（读取数据）
2. 支持++和–（访问上一个or下一个节点）

回顾之前string和vector迭代器的模拟实现，我们是直接将指针typedef为迭代器使用，因为string和vector的底层结构是顺序表，是一段连续的物理空间，所以通过使用原生指针便能符合其迭代器的需求了✔️

💥但是list的底层结构是链表，链表是按需开辟空间，并不是一段连续的物理空间，每个节点的物理地址并不连续，我们无法直接使用原生指针去+±-来遍历来访问节点。我们回顾刚开始接触C++学习的日期类，日期类中的“日期”是我们自己定义的一种自定义类型，无法使用内置操作符直接对日期进行运算操作（编译器又不认识那么多）所以我们是通过自己再去重定义日期的操作类，去重载操作符来满足需求。

🚩类和对象说：该我上场表演了
既然原生指针已经无法满足list迭代器的需求，那么我们可以自己定义一个迭代器，然后将节点指针封装起来，然后再根据我们具体的需求情况去重载各种运算符实现迭代器功能。

//用类封装迭代器
templatestruct __list_iterator
{typedef list_nodenode;
	node* _pnode;//封装一个节点的指针
    
	//用节点指针进行构造
	__list_iterator(node* p)
		:_pnode(p)
	{}
	//迭代器运算符的重载
	T& operator*()
	{return _pnode->_data;
	}

	__list_iterator& operator++()
	{_pnode = _pnode->_next;
		return *this;//返回的是迭代器
	}

	bool operator!=(const __list_iterator& it)
	{return _pnode != it._pnode;
	}
};

定义完迭代器后便能对我们添加了数据的list进行遍历打印了
1.迭代器遍历 2.范围for遍历（底层也是调用了迭代器）

void test_list1()
{listlt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
    lt.push_back(5);
		
	list::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{cout<< *it<< " ";
		++it;
	}
	cout<< endl;

	for (auto e : lt)
	{cout<< e<< " ";
	}
	cout<< endl;
}

定义完迭代器后，通过迭代器对容器数据进行访问，实际上是一种函数调用

❌const迭代器的错误写法

typedef __list_iteratoriterator;
const list::iterator cit = lt.begin();

const之前我们修饰指针时有两种方法

const T* p1;
T* const p2;

正确的const迭代器应该是像p1的行为，保护指向的对象不被修改，但是迭代器本身是可以修改的

但是上述的const迭代器写法是保护了迭代器本身不能被修改，那么我们就不能++迭代器了

✔️正确写法：想实现const迭代器，无法对普通迭代器直接加const，需要再写一个const版本迭代器的类

templatestruct __list_const_iterator
{typedef list_nodenode;
	node* _pnode;

	__list_const_iterator(node* p)
		:_pnode(p)
	{}

	const T& operator*()const
	{return _pnode->_data;
	}

	__list_const_iterator& operator++()
	{_pnode = _pnode->_next;
		return *this;
	}

	__list_const_iterator& operator--()
	{_pnode = _pnode->_prev;
		return *this;
	}

	bool operator!=(const __list_const_iterator& it)
	{return _pnode != it._pnode;
	}
};

typedef __list_iteratorconst_iterator;

但是如果像上述一样，写一个普通迭代器再写一个const迭代器，代码看起来就十分的冗长。那么我们可以利用好类模板，类模板即是能根据模板和调用时的参数，根据实参类型推演产生函数的特定类型版本。这样，我们根据传入参数的不同，可以使得一份类模板生成两种类型的迭代器🧮

templatestruct __list_iterator
{typedef list_nodenode;
	typedef __list_iteratorSelf;
	node* _pnode;

	__list_iterator(node* p)
		:_pnode(p)
	{}
    
	Ref operator*()
	{return _pnode->_data;
	}
	
	Self& operator++()
	{_pnode = _pnode->_next;
		return *this;
	}

	Self& operator--()
	{_pnode = _pnode->_prev;
		return *this;
	}

	bool operator!=(const Self& it)
	{return _pnode != it._pnode;
	}
};

typedef __list_iteratoriterator;
typedef __list_iteratorconst_iterator;

我们调用对象的成员变量成员函数是用.实现，对指针解引用取其值是用*实现，而当结构体要解引用是使用->，再用->取其成员变量。而假如现在list中就存放的是结构体类型的数据✏️

所以我们有必要对->也进行重载

T* operator->()
{return &_pnode->_data;
}

重载完之后我们要怎么使用呢❓一共有3种方法

//坐标类
struct Pos
{int _row;
	int _col;

	Pos(int row = 0, int col = 0)
		:_row(row)
		,_col(col)
	{}
};
void test()
{listlt;
   	lt.push_back(Pos(1,1));
	lt.push_back(Pos(2,2));
	lt.push_back(Pos(3,3));
    
	// int* p  --->*p
	// Pos* p  --->p->list::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{cout<< (&(*it))->_row;
        //*it取出容器数据（POS类） -- 再取地址访问解引用得到_row
		cout<< it.operator->()->_row;
        //it.operator->()是显式调用，然后再->解引用得到_row
        cout<< it->_row;
        //同第二种写法，编译器为了可读性，省略了一个->
        ++it;
	}
}

💥但是当实际使用时，会发现有问题，那就是->的重载返回值为T*，这样一来无论是普通迭代器或const迭代器都能对其值进行修改，所以我们需要将operator->的返回值改为泛型，然后针对不同的迭代器给不同的返回参数以示区分，如此一来，我们的迭代器模板又得再多一个参数啦📈

templatePtr operator->()
{return &_pnode->_data;
}

typedef __list_iteratoriterator;
typedef __list_iteratorconst_iterator;

1. 封装底层实现，不暴露底层实现的细节
2. 多种容器提供统一的访问方式，降低容器使用成本
3. C语言没有运算符重载和引用等语法，是实现不了迭代器的

vector和list就像左右手一样，是互补配合的关系

vector的优点即是list的缺点，list的优点也是vector的缺点，实际使用时可按照需求择优选用或者结合使用

vector的优点

1. 支持下标的随机访问
2. 尾插尾删效率高（但是扩容的那一次尾插会较慢）
3. CPU高速缓存命中高（得益于vector的结构是一段连续的物理空间，数据从缓存加载到CPU时，是会加载连续的一段数据，而不是一个个加载，这样一来在加载vector时高速缓存命中就很高）

🎈综上所述vector的优点都得益于其结构优势

vector的缺点

1. 非尾插尾删效率极低O(N)
2. 扩容有消耗，还存在一定的空间浪费

🎈迭代器失效

insert和erase均会导致迭代器失效

list的优点

1. 按需申请释放，无需扩容
2. 任意位置插入删除效率高O(1)

list的缺点

1. 不支持下标的随机访问
2. CPU高速缓存命中率低

🎈迭代器失效

insert不失效，erase失效

namespace qdy
{templatestruct list_node
	{list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _data;

		list_node(const T& x)
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(x)
		{}
	};

	templatestruct __list_iterator
	{typedef list_nodenode;
		typedef __list_iteratorSelf;
		node* _pnode;

		__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--()
		{	_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{	Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_prev;
			return tmp;
		}

		bool operator!=(const Self& it)
		{	return _pnode != it._pnode;
		}

		bool operator==(const Self& it) const
		{	return _pnode == it._pnode;
		}
	};

	templateclass list
	{typedef list_nodenode;
	public:
		typedef __list_iteratoriterator;
		//typedef __list_const_iteratorconst_iterator;
		typedef __list_iteratorconst_iterator;


		//构造函数
		list()
		{	empty_initialize();
		}

		~list()
		{	clear();

			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void clear()
		{	iterator it = begin();
			while (it != end())
			{		it = erase(it);
			}
		}

		const_iterator begin() const
		{	return const_iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator end() const
		{	return const_iterator(_head);
		}

		iterator begin()
		{	return iterator(_head->_next);
			//iterator it(_head->_next);
			//return it;
		}

		iterator end()
		{	return iterator(_head);
		}

		void empty_initialize()
		{	_head = new node(T());
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			_size = 0;
		}

		templatelist(InputIterator first, InputIterator last)
		{	empty_initialize();
			while (first != last)
			{		push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		void swap(list& lt)
		{	std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

		// 现代写法
		// lt2(lt1)
		list(const list& lt)
			//list(const list& lt) // 不建议
		{	empty_initialize();

			listtmp(lt.begin(), lt.end());
			swap(tmp);
		}

		// lt3 = lt1
		list& operator=(listlt)
			//list& operator=(list lt) // 不建议
		{	swap(lt);
			return *this;
		}

		//尾插
		void push_back(const T& x)
		{	//node* newnode = new node(x);
			//node* tail = _head->_prev;
			_head     tail   newnode
			//newnode->_prev = tail;
			//tail->_next = newnode;
			//newnode->_next = _head;
			//_head->_prev = newnode;

			insert(end(), x);
		}

		void push_front(const T& x)
		{	insert(begin(), x);
		}

		void pop_back()
		{	erase(--end());
		}

		void pop_front()
		{	erase(begin());
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{	node* newnode = new node(x);
			node* cur = pos._pnode;
			node* prev = cur->_prev;

			//prev  newnode  cur
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;

			++_size;
			return iterator(newnode);
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{	assert(pos != _head);

			node* prev = pos._pnode->_prev;
			node* next = pos._pnode->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;

			delete pos._pnode;
			--_size;

			return iterator(next);
		}

		size_t size()const
		{	return _size;
		}

		bool empty()const
		{	return _size == 0;
		}

	private:
		node* _head;
		size_t _size;
	};
}

🌈🌈写在最后
我们今天对list的分享就到此结束了
对于这篇博客最精华的部分便是迭代器的实现，迭代器在各种容器中是不可或缺的一部分🚩
🎈感谢能耐心地阅读到此
🎈码字不易，感谢三连
🎈关注博主，我们一起学习、一起进步

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