C++之list的应用及模拟实现

前言：
前面篇章学习了C++对于vector的基本使用以及常用接口的认识，接下来继续学习，C++的list双向链表的应用以及模拟实现等知识。
/知识点汇总/

1、list的简单介绍

C++中的list是一个双向链表容器，它允许在序列中的任何位置进行快速的插入和删除操作。
list由多个节点组成，每个节点包含数据以及指向其前一个和后一个节点的指针。
这种结构使得list在插入和删除元素时具有优秀的性能，因为只需要调整相邻节点的指针，而不需要像数组或向量那样移动大量元素。
list的一些主要特点和用法：
1.双向性：
list中的元素是双向链接的，这意味着可以从前往后遍历，也可以从后往前遍历。
2.快速插入和删除：
在list中的任何位置插入或删除元素都是常数时间的操作，因为只需要更新相邻节点的指针。
3.不支持随机访问：
由于list是链表结构，它不支持像数组或向量那样的随机访问。访问特定元素需要从头或尾开始遍历。
4.迭代器：
list提供迭代器来访问和操作元素。迭代器支持前向和后向迭代，但不支持随机访问。
5.成员函数：
list提供了丰富的成员函数来操作元素，如push_back()、push_front()、pop_back()、pop_front()、insert()、erase()等。
6.内存分配：list的元素是分散存储的，每个元素都单独分配内存。这有时会导致内存碎片的问题，尤其是在频繁插入和删除元素的情况下。

2、list的应用

2.1、构造函数+push_back+迭代器遍历

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

2.2、reverse逆置+sort排序+unique去重

void test_list2()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(3);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(5);lt.push_back(4);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//逆置lt.reverse();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//排序 -- 默认升序lt.sort();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//排序 -- 降序(仿函数)lt.sort(greater<int>());for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//去重（前提条件是有序序列）lt.unique();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;
}

2.3、splice粘接/转移

void test_list3()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(3);lt.push_back(2);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//粘接/转移//把链表中某个位置的元素，转移到当前位置之前。lt.splice(lt.end(), lt, lt.begin());for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;list<int> lt1;lt1.push_back(10);lt1.push_back(20);lt1.push_back(30);//lt1.splice(lt1.begin(), lt, lt.begin(), lt.end());//lt.splice(lt.begin(), lt1, lt1.begin(),lt1.end());lt.splice(lt.begin(), lt1, lt1.begin(), next(lt1.begin(), 2));//lt.splice(lt.begin(), lt1);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt1.push_back(6);for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;
}

2.4、merge合并+remove_if条件删除函数+remove指定元素删除

bool single_digit(const int& value)
{return (value < 5);
}void test_list4()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//合并list<int> lt2;lt2.push_back(6);lt2.push_back(7);lt2.push_back(8);lt2.merge(lt);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;//条件删除函数lt2.remove_if(single_digit);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;//指定元素删除lt2.remove(7);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;
}

2.5、排序 – 效率比较

//排序 -- 效率比较
void test_list5()
{srand(time(0));const int N = 1000000;list<int> lt1;vector<int> v;for (int i = 0; i < N; i++){auto e = rand() + i;lt1.push_back(e);v.push_back(e);}int begin1 = clock();//排序sort(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();//排序lt1.sort();int end2 = clock();printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}//排序 -- 效率比较
void test_list6()
{srand(time(0));const int N = 1000000;list<int> lt1;list<int> lt2;for (int i = 0; i < N; i++){auto e = rand() + i;lt1.push_back(e);lt2.push_back(e);}int begin1 = clock();//拷贝vectorvector<int> v(lt2.begin(), lt2.end());//排序sort(v.begin(), v.end());//拷贝回覆盖lt2lt2.assign(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();//排序lt1.sort();int end2 = clock();printf("list2 sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list1 sort:%d\n", end2 - begin2);
}

3、list深度剖析及模拟实现

3.1、list的结构体构建

3.2、list的构造函数和析构函数

//empty_init初始化
void empty_init()
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;
}
//构造函数
list()
{empty_init();
}
//需要析构，一般就需要自己写深拷贝
//不需要析构，一般就不需要自己写深拷贝
//析构函数
~list()
{clear();//只清楚数据，不包括头结点delete _head;_head = nullptr;
}

3.3、list的insert/empty/erase/clear/size接口函数

//插入
void insert(iterator pos, const T& val)
{Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;//就回到了，prev / cur / newnode的链接关系prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;
}
//删除 --- 根据erase迭代器失效的知识点,需要返回下一个位置的迭代器(最优解)
iterator erase(iterator pos)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;//prev / cur / next的链接关系prev->_next = next;next->_prev = prev;//释放当前节点delete cur;_size--;return iterator(next);
}
//判空
bool empty()
{return _size == 0;
}
//clear
void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}
//size
T size()
{return _size;
}

3.4、list的push_back/pop_back接口函数

//尾插 -- 复用
void push_back(const T& x)
{insert(end(), x);
}
//头插 -- 复用
void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}
//尾删
void pop_back()
{erase(--end());//注意参数是--end()，而不是end()-1，因为这里底层是对迭代器的操作。
}
//头删
void pop_front()
{erase(begin());
}

3.5、list的拷贝构造函数以及赋值构造函数

//交换
void swap(list<T>& lt)
{std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);
}
//赋值拷贝
list<T>& operator=(list<int> lt)
{swap(lt);return *this;
}
//拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}
}

3.6、list的迭代器接口函数（const 权限问题）

typedef ListIterator<T> iterator;
typedef ListConstIterator<T> const_iterator;//只读
//begin()
iterator begin()
{//匿名构造//return iterator(_head->_next);//有名构造iterator it(_head->_next);return it;//单参数的构造函数可以使用隐式类型转换//return _head->_next;
}
//end()
iterator end()
{//return iterator(_head->_prev);error//注意end()是返回，最后一个数据的下一个位置return iterator(_head);
}
//函数重载 -- 解决const权限问题
//const 迭代器，需要的是迭代器不能修改，还是迭代器指向的内容不能修改？
//答：是迭代器指向的内容不能修改，所以返回值直接加const iterator是不行的。
//而是需要单独的类型名称，const_iterator
//T* const p1; --- 修饰指针
//const T* p2; --- 修饰指针指向的对象
//const_iterator --- 修饰指针
//const_iterator --- 修饰对象
//注意迭代器并不是指针，而是类型
const_iterator begin() const
{//单参数的构造函数可以使用隐式类型转换return _head->_next;
}
//end()
const_iterator end() const
{return _head;
}

3.7、list的迭代器接口函数（解决const权限问题）

const 迭代器，需要的是迭代器不能修改，还是迭代器指向的内容不能修改？

答：是迭代器指向的内容不能修改，所以返回值直接加const iterator是不行的，而是需要单独的类型名称，const_iterator

const_iterator begin() const
{//单参数的构造函数可以使用隐式类型转换return _head->_next;
}
//end()
const_iterator end() const
{return _head;
}

解决方法一：
单独另写一个迭代器类的const 权限修饰
那么就得写一个const使用得，一个非const使用的iterator类。

//方法一：
//迭代器类的const 权限修饰
template<class T>
struct ListConstIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListConstIterator<T> Self;Node* _node;//构造函数ListConstIterator(Node* node):_node(node){}//运算符重载++ -- 前置 ++itSelf& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//运算符重载++ -- 后置 it++Self operator++(int){Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝(迭代器不需要写深拷贝，因为本身迭代器都指向一块地址，同理，也不需要写析构，本身只需要访问，不需要管理。做一些释放等操作)_node = _node->_next;return tmp;}//运算符重载-- -- 前置 --itSelf& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//运算符重载-- -- 后置 it--Self operator--(int){Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝访问_node = _node->_prev;return tmp;}//解引用 -- *it(读/写 -- 传引用)const T& operator*(){return _node->_data;}//比较迭代器是否相等 -- 比较指针(地址)bool operator!= (const Self& it){return _node != it._node;}//比较迭代器是否相等bool operator== (const Self& it){return _node == it._node;}//运算符重载->const T* operator->(){return &_node->_data;}
};

解决方法二：

利用模板类以及模板类多个参数，解决const 权限问题。多用于，只是类型不同，其他都相同的类。

//迭代器类的封装原生指针
//方法二：模板类
//本质相当于我们写了一个类模板，编译器实例化生成了两个类
//typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
//typedef ListConstIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;//方法2，模板类Node* _node;//构造函数ListIterator(Node* node):_node(node){}//运算符重载++ -- 前置 ++itSelf& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//运算符重载++ -- 后置 it++Self operator++(int){Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝(迭代器不需要写深拷贝，因为本身迭代器都指向一块地址，同理，也不需要写析构，本身只需要访问，不需要管理。做一些释放等操作)_node = _node->_next;return tmp;}//运算符重载-- -- 前置 --itSelf& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//运算符重载-- -- 后置 it--Self operator--(int){Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝访问_node = _node->_prev;return tmp;}//解引用 -- *it(读/写 -- 传引用)//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}//比较迭代器是否相等 -- 比较指针(地址)bool operator!= (const Self& it){return _node != it._node;}//比较迭代器是否相等bool operator== (const Self& it){return _node == it._node;}//运算符重载->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;}
};

对比两个方法：

typedef ListIterator<T> iterator;
//方法一：
typedef ListConstIterator<T> const_iterator;//只读//方法二：模板类
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
//参考官方的做法：
//原型：typedef ListConstIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

采用方法二就只写一个irerator类了（类模板），只需要在list类里typedef使用就行了。

typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T,const T&, const T*> const_iterator;

4、list模拟实现的完整代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1//list的剖析与模拟实现
#pragma once
#include <iostream>
#include <list>
#include <assert.h>using namespace std;namespace bit
{//公有 --- publictemplate<class T>struct ListNode{T _data;ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;//构造函数ListNode(const T& x = T()):_data(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}};//迭代器类的封装原生指针//方法二：模板类//本质相当于我们写了一个类模板，编译器实例化生成了两个类//typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;//typedef ListConstIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;template<class T,class Ref,class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;//方法2，模板类Node* _node;//构造函数ListIterator(Node* node):_node(node){}//运算符重载++ -- 前置 ++itSelf& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//运算符重载++ -- 后置 it++Self operator++(int){Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝(迭代器不需要写深拷贝，因为本身迭代器都指向一块地址，同理，也不需要写析构，本身只需要访问，不需要管理。做一些释放等操作)_node = _node->_next;return tmp;}//运算符重载-- -- 前置 --itSelf& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//运算符重载-- -- 后置 it--Self operator--(int){Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝访问_node = _node->_prev;return tmp;}//解引用 -- *it(读/写 -- 传引用)//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}//比较迭代器是否相等 -- 比较指针(地址)bool operator!= (const Self& it){return _node != it._node;}//比较迭代器是否相等bool operator== (const Self& it){return _node == it._node;}//运算符重载->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;}};//方法一：//迭代器类的const 权限修饰//template<class T>//struct ListConstIterator//{//	typedef ListNode<T> Node;//	typedef ListConstIterator<T> Self;//	Node* _node;//	//构造函数//	ListConstIterator(Node* node)//		:_node(node)//	{}//	//运算符重载++ -- 前置 ++it//	Self& operator++()//	{//		_node = _node->_next;//		return *this;//	}//	//运算符重载++ -- 后置 it++//	Self operator++(int)//	{//		Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝(迭代器不需要写深拷贝，因为本身迭代器都指向一块地址，同理，也不需要写析构，本身只需要访问，不需要管理。做一些释放等操作)//		_node = _node->_next;//		return tmp;//	}//	//运算符重载-- -- 前置 --it//	Self& operator--()//	{//		_node = _node->_prev;//		return *this;//	}//	//运算符重载-- -- 后置 it--//	Self operator--(int)//	{//		Self tmp(*this);//拷贝构造 -- 浅拷贝访问//		_node = _node->_prev;//		return tmp;//	}//	//解引用 -- *it(读/写 -- 传引用)//	const T& operator*()//	{//		return _node->_data;//	}//	//比较迭代器是否相等 -- 比较指针(地址)//	bool operator!= (const Self& it)//	{//		return _node != it._node;//	}//	//比较迭代器是否相等//	bool operator== (const Self& it)//	{//		return _node == it._node;//	}//	//运算符重载->//	const T* operator->()//	{//		return &_node->_data;//	}//};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public://typedef ListIterator<T> iterator;//方法一：//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;//只读//方法二：模板类typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;//typedef ListConstIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//empty_init初始化void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}//构造函数list(){empty_init();}//拷贝构造list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}//需要析构，一般就需要自己写深拷贝//不需要析构，一般就不需要自己写深拷贝//析构函数~list(){clear();//只清楚数据，不包括头结点delete _head;_head = nullptr;}//clearvoid clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}//交换void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}//赋值拷贝list<T>& operator=(list<int> lt){swap(lt);return *this;}//尾插//void push_back(const T& x)//{//	Node* newnode = new Node(x);//	Node* tail = _head->_prev;//	tail->_next = newnode;//	newnode->_prev = tail;//	newnode->_next = _head;//	_head->_prev = newnode;//}//尾插 -- 复用void push_back(const T& x){insert(end(), x);}//头插 -- 复用void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}//尾删void pop_back(){erase(--end());//注意参数是--end()，而不是end()-1，因为这里底层是对迭代器的操作。}//头删void pop_front(){erase(begin());}//插入void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;//就回到了，prev / cur / newnode的链接关系prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;}//删除 --- 根据erase迭代器失效的知识点,需要返回下一个位置的迭代器(最优解)iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;//prev / cur / next的链接关系prev->_next = next;next->_prev = prev;//释放当前节点delete cur;_size--;return iterator(next);}//begin()iterator begin(){//匿名构造//return iterator(_head->_next);//有名构造iterator it(_head->_next);return it;//单参数的构造函数可以使用隐式类型转换//return _head->_next;}//end()iterator end(){//return iterator(_head->_prev);error//注意end()是返回，最后一个数据的下一个位置return iterator(_head);}//函数重载 -- 解决const权限问题//const 迭代器，需要的是迭代器不能修改，还是迭代器指向的内容不能修改？//答：是迭代器指向的内容不能修改，所以返回值直接加const iterator是不行的。//而是需要单独的类型名称，const_iterator//T* const p1; --- 修饰指针//const T* p2; --- 修饰指针指向的对象//const_iterator --- 修饰指针//const_iterator --- 修饰对象//注意迭代器并不是指针，而是类型const_iterator begin() const{//单参数的构造函数可以使用隐式类型转换return _head->_next;}//end()const_iterator end() const{return _head;}//sizeT size(){return _size;}//判空bool empty(){return _size == 0;}private:Node* _head;size_t _size;};void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);//实现遍历//迭代器的考虑 -- 内置类型的引用//1.内部类  2.typedef//本质是由于，原生指针不满足这里的应用，因为地址不连续//所以采用自定义类型重载运算符list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){*it += 10;cout << *it << " ";it++;}cout << endl;lt.push_front(6);lt.push_front(7);lt.push_front(8);lt.push_front(9);lt.push_front(10);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_back();lt.pop_front();lt.pop_front();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;cout << lt.size() << endl;cout << lt.empty() << endl;}//特殊类型的链表的迭代器模拟访问以及迭代器多参数隐式类型转换struct A{int _a1;int _a2;A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1),_a2(a2){}};void test_list2(){list<A> lt;A aa1(1, 1);A aa2 = { 1,1 };//多参数的隐式类型转换lt.push_back(aa1);lt.push_back(aa2);lt.push_back(A(2,2));lt.push_back({3,3});lt.push_back({4,4});//迭代器模拟的是T*的行为list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;//运算符重载->cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;//原型：it.operator->()->_a1it++;}cout << endl;}//const 链表不可修改问题，权限问题template<class T>void PrintList(const list<T>& clt){//list<T>::const_iterator it = clt.begin(); --- error//解决方法2：typename+type --- 告诉编译器这是个类型。typename list<T>::const_iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){//*it += 10;//这样就不能被修改了，只读cout << *it << " ";it++;}cout << endl;}//const 迭代器，模板控制类型不同类void PrintList(const list<A>& clt){list<A>::const_iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;it++;}cout << endl;}void test_list3(){list<A> lt;A aa1(1, 1);A aa2 = { 1,1 };//多参数的隐式类型转换lt.push_back(aa1);lt.push_back(aa2);lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back({ 3,3 });lt.push_back({ 4,4 });//方法一：//函数重载，两个类//方法二：//最后用模板控制类型不同，封装这两个类PrintList(lt);list<int> lt2;lt2.push_back(1);lt2.push_back(2);lt2.push_back(3);lt2.push_back(4);lt2.push_back(5);PrintList(lt2);}void test_list4(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);PrintList(lt);//拷贝构造list<int> lt2(lt);PrintList(lt2);list<int> lt3;lt3 = lt2;PrintList(lt3);}
}

5、vector和list的优缺点比较

C++中的list和vector是两种常用的容器，它们各自具有不同的优缺点，适用于不同的场景。
下面是对list和vector的优缺点进行的总结：

4.1、list的优缺点

优点：

1.快速的插入和删除：在list中的任何位置插入或删除元素都是常数时间的操作，因为只需要更新相邻节点的指针，而不需要移动其他元素。
2.双向迭代：list支持双向迭代，可以从头到尾或从尾到头遍历元素。
3.内存分配灵活：list的元素是单独分配内存的，这可以避免大块内存分配带来的问题，特别是在处理大量小对象时。

缺点：

1.不支持随机访问：list不支持像数组那样的随机访问元素，访问特定元素需要从头或尾开始遍历，这可能导致性能下降。
2.内存碎片：由于list的元素是分散存储的，频繁地插入和删除元素可能会导致内存碎片。
3.空间开销较大：list中的每个元素都需要额外的空间来存储指向前后节点的指针，这增加了空间开销。

4.2、vector的优缺点

优点：

1.随机访问：vector支持快速随机访问元素，通过下标可以直接访问任意位置的元素。
2.内存连续：vector的元素在内存中是连续存储的，这有助于缓存优化，提高了访问效率。
3.尾部插入效率高：当在vector的尾部插入元素时，如果预留了足够的空间（通过reserve方法），则插入操作通常是非常高效的。

缺点：

1.插入和删除可能效率低：在vector的中间位置插入或删除元素可能需要移动大量元素，这可能导致性能下降。
2.内存重新分配：当vector的大小达到其容量时，再添加元素会触发内存重新分配和元素复制或移动操作，这可能会带来性能开销。
3.空间开销：虽然vector本身不需要额外的空间来存储指针（如list），但如果预留了过多空间以避免重新分配，则可能会浪费内存。

4.3、总结

选择list还是vector取决于具体的应用场景和需求。

1.如果你需要频繁地在序列中间插入或删除元素，且不关心随机访问性能，那么list可能是一个更好的选择。
2.而如果你需要快速随机访问元素，并且在尾部添加元素的操作较多，那么vector可能更合适。
3.在某些情况下，它们各自具有不同的特性和适用场景。