C++ STL之list的使用及模拟实现

文章目录

  • 1. 介绍
  • 2. list类的使用
    • 2.1 list类对象的构造函数
    • 2.2 list类对象的容量操作
    • 2.3 list类对象的修改操作
    • 2.4 list类对象的访问及遍历操作
  • 3. list类的模拟实现

1. 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（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。

  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）。

图示：

在这里插入图片描述

想要具体了解其底层数据结构可以参照：线性表之双向链表

2. list类的使用

2.1 list类对象的构造函数

(constructor)构造函数代码功能说明
explicit list (const allocator_type& alloc = allocator_type());（默认构造函数）构造一个空的容器，没有任何元素。
explicit list (size_type n, const value_type& val = value_type(), const allocator_type& alloc = allocator_type());（填充构造函数）构造一个具有 n 个元素的容器。每个元素都是 val 的副本。
template <class InputIterator>
list (InputIterator first, InputIterator last, const allocator_type& alloc = allocator_type());		（范围构造函数）构造一个与范围[first, last)中的元素数量相同的容器，每个元素都是从该范围中的相应元素构造而来，顺序相同。
list (const list& x);（拷贝构造函数）构造一个与 x 中的每个元素副本相同顺序的容器。

实例：

// constructing lists
#include <iostream>
#include <list>int main()
{// 按照上述描述的顺序使用的构造函数std::list<int> first;                                // empty list of intsstd::list<int> second(4, 100);                       // four ints with value 100std::list<int> third(second.begin(), second.end());  // iterating through secondstd::list<int> fourth(third);                       // a copy of third// the iterator constructor can also be used to construct from arrays:int myints[] = { 16,2,77,29 };std::list<int> fifth(myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int));std::cout << "The contents of fifth are: ";for (std::list<int>::iterator it = fifth.begin(); it != fifth.end(); it++)std::cout << *it << ' ';std::cout << '\n';return 0;
}

输出结果：

在这里插入图片描述

2.2 list类对象的容量操作

函数名称代码功能说明
emptybool empty() const;返回 list 容器是否为空（即其大小是否为0）。
sizesize_type size() const;返回 list 容器中元素的个数。
max_sizesize_type max_size() const;返回 list 容器中可以容纳的最大元素的数量。

2.3 list类对象的修改操作

函数名称代码功能说明
assigntemplate <class InputIterator>
void assign (InputIterator first, InputIterator last);
void assign (size_type n, const value_type& val);		对 list 容器进行赋值，替换其当前内容，并相应地修改其大小。
push_frontvoid push_front (const value_type& val);在 list 容器开头插入一个新元素 val。
pop_frontvoid pop_front();删除 list 容器中第一个元素。
push_backvoid push_back (const value_type& val);在 list 容器最后插入一个新元素 val。
pop_backvoid pop_back();删除 list 容器中最后一个元素。
insertiterator insert (iterator position, const value_type& val);
void insert (iterator position, size_type n, const value_type& val);
template <class InputIterator>
void insert (iterator position, InputIterator first, InputIterator last);		在指定位置 position 之前插入新元素 val、n 个 val或者迭代器区间[first, last)范围的元素。
eraseiterator erase (iterator position);
iterator erase (iterator first, iterator last);		删除 position 位置的元素或者迭代器区间[first, last)范围的元素。
swapvoid swap (list& x);与另一个相同类型的 list 容器 x 交换内容。存在一个同名的非成员函数 swap，重载该算法的意义是优化交换时间。
resizevoid resize (size_type n, value_type val = value_type());改变容器的大小，使其包含 n 个元素。如果 n 小于当前容器的大小，则内容将被缩减为其前 n 个元素，并移除超出范围的元素。如果 n 大于当前容器的大小，则通过在末尾插入所需数量的元素来扩展内容，使其大小达到 n。如果指定了 val，则新元素将被初始化为 val 的副本；否则，它们将进行值初始化。
clearvoid clear();从 list 容器中移除所有元素，使容器的大小变为0。

2.4 list类对象的访问及遍历操作

函数名称代码功能说明
frontreference front();
const_reference front() const;		返回 list 容器中第一个元素的引用。
backreference back();
const_reference back() const;		返回 list 容器中最后一个元素的引用。

遍历操作

#include <iostream>
#include <list>int main()
{std::list<int> lt(10, 100);// 1. 迭代器遍历for (std::list<int>::iterator it = lt.begin(); it != lt.end(); ++it)std::cout << *it << " ";std::cout << '\n';// 2. 范围for遍历for (auto e : lt)std::cout << e << " ";std::cout << '\n';return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

解释

  1. 迭代器遍历：
  • 首先，通过lt.begin()获取列表的起始迭代器，lt.end()获取列表的结束迭代器。
  • 使用std::list<int>::iterator it定义一个迭代器变量，并将其初始化为列表的起始迭代器。
  • 使用迭代器变量it进行循环迭代，从列表的起始位置迭代到结束位置（不包括结束位置）。
  • 在循环中，通过*it访问当前迭代器指向的元素，并输出到标准输出流std::cout中。
  1. 范围for循环遍历：
  • 使用auto关键字和范围for循环语法，遍历列表lt中的每个元素。
  • 在每次迭代中，将当前元素赋值给变量e。
  • 在循环体内，输出变量e的值到标准输出流std::cout中。

3. list类的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;namespace my_list
{   // List的节点类template<class T>struct ListNode{ListNode(const T& val = T()):_pPre(nullptr),_pNext(nullptr),_val(val){}ListNode<T>* _pPre;ListNode<T>* _pNext;T _val;};//List的迭代器类template<class T, class Ref, class Ptr>class List_iterator{typedef ListNode<T>* PNode;typedef List_iterator<T, Ref, Ptr> Self;public:List_iterator(PNode pNode = nullptr){_pNode = pNode;}List_iterator(const Self& l){_pNode = l._pNode;}Ref operator*(){return _pNode->_val;}Ptr operator->(){return &_pNode->_val;}Self& operator++(){_pNode = _pNode->_pNext;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);_pNode = _pNode->_pNext;return tmp;}Self& operator--(){_pNode = _pNode->_pPre;return *this;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_pNode = _pNode->_pPre;return tmp;}bool operator!=(const Self& l){return _pNode != l._pNode;}bool operator==(const Self& l){return _pNode == l._pNode;}PNode GetNode(){return _pNode;}private:PNode _pNode;};// 反向迭代器——对正向迭代器的接口进行包装template<class Iterator, class Ref, class Ptr>struct Reverse_iterator{Iterator _it;typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;Reverse_iterator() {}Reverse_iterator(Iterator it): _it(it){}Ref operator*(){Iterator tmp(_it);--tmp;return *tmp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);--_it;return tmp;}Self& operator--() {++_it;return *this;}Self operator--(int){Self tmp(*this);++_it;return tmp;}bool operator!=(const Self& s){return _it != s._it;}bool operator==(const Self& s){return _it == s._it;}};//list类template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;typedef Node* PNode;public:typedef List_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef List_iterator<T, const T&, const T&> const_iterator;typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;typedef Reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;public:///// List Iteratoriterator begin(){return _pHead->_pNext;}iterator end(){return _pHead;}const_iterator begin() const{return const_iterator(_pHead->_pNext);}const_iterator end() const{return const_iterator(_pHead);}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 构造/赋值list(){CreateHead();}list(int n, const T& value = T()){CreateHead();while (n--){push_back(value);}_size = n;}list(int n, T& value = T()){CreateHead();while (n--){push_back(value);}_size = n;}template <class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){CreateHead();while (first != last){push_back(*first);first++;_size++;}}list(const list<T>& l){CreateHead();for (auto it : l){push_back(it);_size++;}}void swap(list<T>& l){std::swap(this->_pHead, l._pHead);std::swap(this->_size, l._size);}list<T>& operator=(list<T> l){swap(l);return *this;}~list(){clear();delete _pHead;_pHead = nullptr;}///// List Capacitysize_t size()const{return _size;}bool empty()const{return _size == 0;}// List AccessT& front(){assert(!empty());return _pHead->_pNext->_val;}const T& front()const{assert(!empty());return _pHead->_pNext->_val;}T& back(){assert(!empty());return _pHead->_pPre->_val;}const T& back()const{assert(!empty());return _pHead->_pPre->_val;}// List Modifyvoid 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){PNode tmp = new Node(val);PNode cur = pos.GetNode();PNode pre = cur->_pPre;tmp->_pNext = cur;tmp->_pPre = pre;pre->_pNext = tmp;cur->_pPre = tmp;_size++;return tmp;}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置iterator erase(iterator pos){PNode cur = pos.GetNode();PNode next = cur->_pNext;PNode pre = cur->_pPre;delete cur;pre->_pNext = next;next->_pPre = pre;_size--;return next;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}private:// 创建头结点void CreateHead(){_pHead = new Node;_pHead->_pNext = _pHead->_pPre = _pHead;}PNode _pHead;size_t _size = 0;};
};

注意

这里实现的反向迭代器类模板同样也可以适配到vector类和string类中。

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