数据结构 c++ List详解

一、List的介绍

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) List原文档，我们可以去cplusplus网站去查看详情

cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list

二、List的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口。

2.1、List的构造函数

构造函数（ (constructor)）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

// list的构造

void TestList1()

{

list l1; // 构造空的l1

list l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素

list l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3

list l4(l3); // 用l3拷贝构造l4

// 以数组为迭代器区间构造l5

int array[] = { 16,2,77,29 };

list l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));

// 列表格式初始化C++11

list l6{ 1,2,3,4,5 };

// 用迭代器方式打印l5中的元素

list::iterator it = l5.begin();

while (it != l5.end())

{

cout << *it << " ";

++it;

}

cout << endl;

// C++11范围for的方式遍历

for (auto& e : l5)

cout << e << " ";

cout << endl;

}

2.2、List迭代器的使用

这里的迭代器我们可以理解为一个指针，是对指针进行了重命名为iterator,该指针指向List中的某个节点。

函数声明接口说明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

1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动 2. 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

// list迭代器的使用

// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for

void PrintList(const list& l)

{

// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象

for (list::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)

{

cout << *it << " ";

// *it = 10; 编译不通过

}

cout << endl;

}

void TestList2()

{

int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };

list l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

// 使用正向迭代器正向list中的元素

// list::iterator it = l.begin(); // C++98中语法

auto it = l.begin(); // C++11之后推荐写法

while (it != l.end())

{

cout << *it << " ";

++it;

}

cout << endl;

// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素

// list::reverse_iterator rit = l.rbegin();

auto rit = l.rbegin();

while (rit != l.rend())

{

cout << *rit << " ";

++rit;

}

cout << endl;

}

 2.3、List反向迭代器

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。

template

class ReverseListIterator

{

// 注意：此处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:

typedef typename Iterator::Ref Ref;

typedef typename Iterator::Ptr Ptr;

typedef ReverseListIterator 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

bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}

bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}

Iterator _it;

};

2.4、List常用接口函数

函数声明接口说明empty检测list是否为空，是返回true，否则返回falsesize返回list中有效节点的个数

函数声明接口说明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

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还有很多函数接口，需要的话可以去cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list查看原文档

// list插入和删除

// push_back/pop_back/push_front/pop_front

void TestList3()

{

int array[] = { 1, 2, 3 };

list L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

// 在list的尾部插入4，头部插入0

L.push_back(4);

L.push_front(0);

PrintList(L);

// 删除list尾部节点和头部节点

L.pop_back();

L.pop_front();

PrintList(L);

}

// insert /erase

void TestList4()

{

int array1[] = { 1, 2, 3 };

list 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;

// 在pos前插入值为4的元素

L.insert(pos, 4);

PrintList(L);

// 在pos前插入5个值为5的元素

L.insert(pos, 5, 5);

PrintList(L);

// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素

vector v{ 7, 8, 9 };

L.insert(pos, v.begin(), v.end());

PrintList(L);

// 删除pos位置上的元素

L.erase(pos);

PrintList(L);

// 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);

}

// resize/swap/clear

void TestList5()

{

// 用数组来构造list

int array1[] = { 1, 2, 3 };

list l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));

PrintList(l1);

// 交换l1和l2中的元素

list l2;

l1.swap(l2);

PrintList(l1);

PrintList(l2);

// 将l2中的元素清空

l2.clear();

cout << l2.size() << endl;

}

三、迭代器失效问题

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 };

list l(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 };

list l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));

auto it = l.begin();

while (it != l.end())

{

l.erase(it++); // it = l.erase(it);

}

}

四、List模拟实现

#include

using namespace std;

#include

namespace LYL

{

// List的节点类

template

struct ListNode

{

ListNode(const T& val = T())

: _prev(nullptr)

, _next(nullptr)

, _val(val)

{}

ListNode* _prev;

ListNode* _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：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：

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!=()

*/

template

class ListIterator

{

typedef ListNode Node;

typedef ListIterator Self;

// 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;

};

template

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

public:

typedef typename Iterator::Ref Ref;

typedef typename Iterator::Ptr Ptr;

typedef ReverseListIterator 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

bool operator!=(const Self& l)const

{

return _it != l._it;

}

bool operator==(const Self& l)const

{

return _it != l._it;

}

Iterator _it;

};

template

class list

{

typedef ListNode Node;

public:

// 正向迭代器

typedef ListIterator iterator;

typedef ListIterator const_iterator;

// 反向迭代器

typedef ReverseListIterator reverse_iterator;

typedef ReverseListIterator 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

list(Iterator first, Iterator last)

{

CreateHead();

while (first != last)

{

push_back(*first);

++first;

}

}

list(const list& l)

{

CreateHead();

// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换

list temp(l.begin(), l.end());

this->swap(temp);

}

list& operator=(list 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);

}

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newsize

while (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(bite::list& l)

{

std::swap(_head, l._head);

}

private:

void CreateHead()

{

_head = new Node;

_head->_prev = _head;

_head->_next = _head;

}

private:

Node* _head;

};

}

五、List与vector的对比

                              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

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