一、list-简单介绍

list是一个可以在常熟范围内任意位置进行插入和删除的序列式容器。底层是带头双向循环链表（链接中有对带头双向循环链表的逻辑分析）。

二、list的常用接口

1.常见构造

(constructor)构造函数声明	接口说明
list()	无参构造
list(size_type n, const T& val = T()	构造并初始化n个val
list(const list& x)	拷贝构造
list(InputIterator first, InputIterator last)	使用迭代器[first, last)区间中的元素初始化构造list

test:

void test_constructor()
{list<int> lt1;                       //无参构造list<int> lt2(4, 25);                //构造并初始化n个vallist<int> lt3(l2.begin(), l2.end()); //用lt2的[first, last)区间构造list<int> lt4(l3);                   //拷贝构造
}

2.iterator的使用

注意：list的迭代器和vector string不同。vector和string的迭代器都是原生指针，而list的迭代器是一个封装起来的指针。

iterator的使用	接口说明
begin + end	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）

一个正向迭代器一个反向迭代器，注意使用规则，前者++迭代器向后移动，后者++迭代器向前移动。

test:

void test_iterator()
{int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);list<int> lt(arr, arr + sz);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//反向迭代器list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();while (rit != lt.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;
}

3.Capacity和Element access

函数名称	接口说明
size	返回list中的有效节点个数
empty	判断是否为空

函数名称	接口说明
front	返回list的第一个节点中，值的引用
back	返回list的最后一个节点中，值的引用

test:

void test_capacity_elementAccsee()
{list<int> lt;lt.push_back(77);lt.push_back(22);//头节点的值-尾节点的值lt.front() -= lt.back();cout << lt.front() << endl;cout << "size:" << lt.size() << endl;cout << "empty:" << lt.empty() << endl;
}

4.Modifiers

函数名称	接口说明
push_front	头插
pop_front	头删
push_back	尾插
pop_back	尾删
erase	删除pos位置的数据
insert	在pos之前插入val
swap	交换两个list的元素
clear	情况list的有效元素

test: 头插 头删 尾插 尾删

void test_Modifiers1()
{list<int> lt;//头插lt.push_front(1);lt.push_front(2);//尾插lt.push_back(10);lt.push_back(20);//范围forfor (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//头删lt.pop_front();//尾删lt.pop_back();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;
}

test: 插入 删除 交换 清理

void test_Modifiers2()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);    Print(lt);//获取链表第二个节点list<int>::iterator pos = lt.begin();cout << *(++pos) << endl;//在pos前插入值为100的元素lt.insert(pos, 100);Print(lt);//在pos前插入值5个5lt.insert(pos, 5, 5);Print(lt);//在pos前插入[v.begin(), v.end())区间的元素vector<int> v{ 6, 6, 6 ,6 };lt.insert(pos, v.begin(), v.end());Print(lt);//删除操作//删除pos位置上的元素     --   特别注意一下迭代器失效问题（下个知识点介绍）lt.erase(pos);Print(lt);// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素lt.erase(lt.begin(), lt.end());Print(lt);list<int> lt1{ 6, 6, 6 ,6 };lt1.swap(lt);cout << "lt::empty:" << lt.empty() << endl;cout << "lt1::empty:" << lt1.empty() << endl;lt.clear();cout << "new_lt::empty:" << lt.empty() << endl;
}

5.list的迭代器失效

在list中迭代器失效即迭代器指向的节点是无效的，即该节点被删除了。因为list的底层是带头双向循环列表，所以在插入元素时，不会导致liet迭代器失效，只有删除时指向删除节点的那个迭代器失效，其他的迭代器不受影响。

错误代码：

void test_iterator_invalid()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);list<int> lt(arr, arr + sz);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//erase()执行完之后，it所指向的节点已经被删除，因此it无效，下次使用必须重新赋值lt.erase(it);++it;   //err   迭代器失效}
}

改正：

void test_iterator_invalid()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };size_t sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);list<int> lt(arr, arr + sz);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){lt.erase(it++);  //it = lt.erase(it);}
}

三、list实现

list类整体实现代码
注意：这里就不单列出来一部分成员函数进行介绍了，因为重要的在string类和vector类都进行了重点讲解。

反向迭代器在list类实现中不进行介绍，在最后单列一个知识点讲解

#include <assert.h>namespace kpl
{// List的节点类template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _prev;ListNode<T>* _next;T _val;//初始化ListNode(const T& val = T()): _prev(nullptr), _next(nullptr), _val(val){}};//List 的迭代器:将原生态指针进行封装template<class T, class Ref, class Ptr>class ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;public:// Ref 和 Ptr 类型重定义，在实现反向迭代器时便于使用。就不需要再模板传参时传Ref和Ptrtypedef Ref Ref;typedef Ptr Ptr;// 构造ListIterator(Node* node = nullptr): _node(node){}// 在模板中多加一个参数Ref的原因是：区分const返回Ref operator*() { return _node->_val;}//Ptr：区分const返回Ptr operator->() { return &(operator*()); }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;}// 比较bool operator!=(const Self& l)const{ return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l)const{ return _node != l._node;}Node* _node;};//反向迭代器借用正向迭代器实现template<class Iterator>class ReverseListIterator{public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}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;}// 比较bool operator!=(const Self& l)const{return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{return _it != l._it;}Iterator _it;};//list类模板的实现template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:// 正向迭代器// 这里就也可以看出传三个模板参数的原因。不值得再去写一个const修饰的模板，普通的迭代器和const修饰的迭代器区别就在于部分成员函数的返回值，所以多传递两个参数即可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();  //因为很多地方都会使用这部分代码，所以进行封装，方便调用}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;}}//拷贝构造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。也可以一次赋值list<T> temp(l.begin(), l.end());swap(temp);}list<T>& operator=(list<T> l){swap(l);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}// List的迭代器iterator begin() { //or return _head->_next;return iterator(_head->_next); }iterator end() { //or return _head;return iterator(_head); }const_iterator begin()const { //or return _head->_next;return const_iterator(_head->_next); }const_iterator end()const{ //or return _head；return const_iterator(_head); }//反向迭代器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());}// capacity相关size_t size()const{//在实现size时，也可以通过给list类增减一个size_t类型的成员变量，然后返回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* cur = pos._node;// 先将新节点插入pNewNode->_prev = cur->_prev;pNewNode->_next = cur;pNewNode->_prev->_next = pNewNode;cur->_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){assert(pos != end());Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;return next;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}_head->_next = _head->_prev = _head;}void swap(list<T>& l){std::swap(_head, l._head);}private:void CreateHead(){_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}private:Node* _head;};
}

四、vector 和 list 对比

	vector	list
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
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
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

五、迭代器

1.迭代器的实现

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：
   • 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
   • 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->()
   • 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
   • 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->()。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（单链表）就不需要重载–。
   • 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

2.迭代器的分类（按照功能分类）

1. 单向迭代器的功能相对较少，只能进行逐个元素的遍历和访问操作。它只支持t运算符来移动到下一个元素，不支持–运算符来回退到前一个元素。因此，单向迭代器无法进行逆向遍历和随机访问元素的操作。
2. 双向迭代器相比于单向迭代器功能更加强大，它支持双向即可以使用++运算符向前移动到下一个元素，也可以使用–运算符向后移动到前一个元素。因此，双向迭代器可以进行逆向遍历和前向遍历操作。
3. 随机迭代器是迭代器的最高级别，功能最丰富。它除了支持双向迭代器的所有操作外，还可以进行随机访问，即可以使用]运算符来访问任意位置的元素。此外，随机迭代器还可以进行迭代器之间的算术运算，比如可以使用+、-运算符来计算迭代器之间的距离。

所以，单向迭代器功能最少，只能逐个访问元素;双向迭代器比单向迭代器功能更强大，可以双向移动;随机迭代器是最高级别的迭代器，功能最丰富，除了双向移动外还能进行随机访问和算术运算操作。

3.反向迭代器

(1)、包装逻辑

(2)、代码

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//typename和class的区别会在模板的博客中进行介绍public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;public:// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}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;}bool operator!=(const Self& l)const{return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{return _it != l._it;}Iterator _it;};

注意

	//迭代器对箭头进行了重载，返回的是一个指针Ptr operator->(){return &(operator*());}

虽然重载了->但是在使用的时候，会发现一个问题。
eg:

struct A
{A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}int _a1;int _a2;
};void test_iterator()
{list<A> lt;lt.push_back(A(1, 1));lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back(A(3, 3));list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << endl;cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;++it;}cout << endl;
}