【C++】list的使用方法和模拟实现

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前言

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
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
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相比于vector在insert和erase上有很大的区别
vector想在第五个位置插入数据可以直接+5

int main()
{vector<int> v1;v1.push_back(1);v1.push_back(2);v1.push_back(3);v1.push_back(4);v1.push_back(5);v1.push_back(7);v1.insert(v1.begin() + 5, 6);for (auto e : v1){cout << e << " ";}cout << endl;//输出结果为：1 2 3 4 5 6 7return 0;
}

而list想在第五个位置插入数据只能使用迭代器，不可以直接+5
在这里插入图片描述

int main()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.push_back(7);//lt.insert(lt.begin() + 5, 10);auto it = lt.begin();for (size_t i = 0; i < 5; i++){++it;}lt.insert(it, 6);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//输出结果为：1 2 3 4 5 6 7return 0;
}

list使用insert之后迭代器不会失效，因为结点的位置没有发生改变
但list使用erase之后迭代器就会失效，因为结点位置发生了改变（结点已经被删除）

排序相关

在这里插入图片描述
可以看到list单独提供了sort库里明明有一个sort为什么list还要单独提供呢？
我们来试试：

可以看到，当我们使用库里的sort的时候编译报错了

我们转到库定义可以看到，库里的sort用了一个last-first，原理是快排，需要三数取中，但在链表中就不适合三数取中的场景

迭代器从功能的角度是会分类的，他分为：单向、双向和随机

单向可以进行 ++
双向可以进行 ++/–
随机可以进行 ++/–/+/-
单向迭代器有：forward_list / unordered_map / unordered_set
双向迭代器有：list / map / set
随机迭代器有：vector / string / deque

在形参的名字中就暗示了我们适合用哪一种算法，比如reverse就适合用双向，find适合用单向，sort适合用随机

在这里插入图片描述

InputIterator（find）：只写迭代器（他在单向迭代器的上面）也就是说单向 / 双向 / 随机都可以使用
双向迭代器（reverse）：双向 / 随机可以使用
随机迭代器（sort）：只有随机能用

容器的迭代器类型在文档中是有说明的：
list：
在这里插入图片描述
vector：

set：

forward_list：

在数据量大的情况下，我们可以把list拷贝到vector中，使用库里的排序，再把数据拷贝回去效率更高，我们来对比一下：
数据个数为一千万

int main()
{srand(time(0));const int N = 10000000;vector<int> v;v.reserve(N);list<int> lt1;list<int> lt2;for (int i = 0; i < N; i++){auto e = rand();lt2.push_back(e);lt1.push_back(e);}//拷贝到vectorint begin1 = clock();//拷贝for (auto e : lt1){v.push_back(e);}//排序sort(v.begin(), v.end());//拷贝回去size_t i = 0;for (auto& e : lt1){e = v[i++];}int end1 = clock();//直接使用list排序int begin2 = clock();lt2.sort();int end2 = clock();cout << "使用vector排序：" << end1 - begin1 << endl;cout << "直接使用list排序：" << end2 - begin2 << endl;return 0;
}

在这里插入图片描述
可以看到效率差了近十倍，所以在数据量特别大的时候就不要直接使用list排序了，排少量数据则可以直接使用

merge

在这里插入图片描述
可以将两个链表归并（前提是链表有序）

unique

在这里插入图片描述

去重（前提是链表有序）

remove

在这里插入图片描述

remove就是find+erase，如果要删除的值不存在则不进行任何操作

splice

在这里插入图片描述
可以把一个链表的内容转移到另一个链表（直接把结点拿走）

转移全部

int main()
{list<int> list1, list2;list<int>::iterator it;for (int i = 1; i <= 4; ++i){list1.push_back(i);			//list1:1 2 3 4}for (int i = 1; i <= 3; ++i){list2.push_back(i * 10);	//list2:10 20 30}cout << "list1转移前:";for (auto e : list1){cout << e << " ";}cout << endl;cout << "list2转移前:";for (auto e : list2){cout << e << " ";}cout << endl;it = list1.begin();++it;//2位置//把list2全部转移到list1中2之前的位置list1.splice(it, list2);cout << "list1转移后：";for (auto e : list1){cout << e << " ";}cout << endl;cout << "list2转移后：";for (auto e : list2){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

在这里插入图片描述

转移某一个结点

//转移某一个结点
list1.splice(it, list2,++list2.begin());

在这里插入图片描述

部分转移

//部分转移
list1.splice(it, list2,++list2.begin(),list2.end());

在这里插入图片描述

自己转移自己

//把第二位置转移到第一个位置的前面
list1.splice(list1.begin(),list1,++list1.begin());

在这里插入图片描述

注意：转移重叠位置会造成死循环

模拟实现list

基本框架

namespace List
{template<class T>struct list_node{list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;T _val;//构造函数list_node(const T& val = T())	//缺省值不能给0，因为T不一定是内置类型:_next(nullptr),_prev(nullptr),_val(val){}};template<class T>class list{typedef list_node<T> Node;public:list(){_head = new Node;//哨兵位指向自己_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}//尾插void push_back(const T& x){Node* tail = _head->_prev;//找尾Node* newnode = new Node(x);//调用构造函数tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;}private:Node* _head;};void test1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);}
}

尾插

//尾插
void push_back(const T& x)
{Node* tail = _head->_prev;//找尾Node* newnode = new Node(x);//调用构造函数tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;
}

在这里插入图片描述

迭代器

由于结点的地址不是连续的，那我们的迭代器该如何设置呢，这时候就要用到运算符重载
我们先来看迭代器的使用：

list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{cout << *it << " ";++it;
}
cout << endl;

那么我们的begin应该返回的是第一个数据的位置，end在最后一个数据的下一个位置
在这里插入图片描述

迭代器是一个自定义类型，这个自定义类型是一个结点的指针，所以在list中他的迭代器需要自己设计而不是像vector或string那样使用原生指针（不同平台下实现方式不同，个别平台也可能对其进行二次封装，也可能不是用原生指针实现）作为迭代器，原因如下：

list 的元素在内存中不是连续存储的，而是通过指针链接起来的。这意味着你不能简单地使用原生指针作为迭代器，因为原生指针只能访问连续内存块中的元素
list 的迭代器需要提供额外的功能，如在链表中前进或后退，这些操作涉及到修改指针以跳转到下一个或上一个元素。原生指针不支持这些操作，因此需要自定义迭代器来实现
自定义迭代器可以针对链表的特性进行优化。例如，链表迭代器在插入或删除操作时，只需要调整相邻元素的指针，而不需要移动大量元素，这使得链表在某些操作上比数组更高效
list中，插入或删除元素通常不会使迭代器失效（除非删除的是迭代器指向的元素），这与vector不同。自定义迭代器可以确保这些操作的正确性，而原生指针无法提供这种保证
自定义迭代器可以提供更好的封装性，隐藏链表的内部实现细节，这样，即使链表的实现发生变化，只要迭代器的接口保持不变，使用迭代器的代码就不需要修改

begin和end

template<class T>
class list
{typedef list_node<T> Node;
public:typedef __list_iterator<T> iterator;iterator begin(){//单参数的构造函数支持隐式类型转换//return _head->_next;return iterator(_head->_next);}iterator end(){//return _head;return iterator(_head);}list(){_head = new Node;//哨兵位指向自己_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}private:Node* _head;
};

* / ++ / – / != / ==

template<class T>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> Node;Node* _node;//用一个结点的指针构造一个迭代器__list_iterator(Node* node):_node(node){}T& operator*(){//*it默认解引用是结点，我们不想要结点，我们要的是数据return _node->_val;}//迭代器++返回的还是迭代器__list_iterator<T>& operator++(){//我们想++做的是让他走向下一个结点//（原生指针是加一个结点的大小，这样并不能到下一个结点的位置）_node = _node->_next;return *this;}//后置++__list_iterator<T> operator++(int){__list_iterator<T> tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//前置--self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置--self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const __list_iterator<T>& it){//使用结点的指针来进行比较return _node != it._node;}bool operator==(const __list_iterator<T>& it){//使用结点的指针来进行比较return _node == it._node;}
};

这样我们的迭代器就可以正常使用了

void test1()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}int main()
{List::test1();return 0;
}

运行效果：
在这里插入图片描述

const迭代器

迭代器模拟的是指针的行为，指针有2种const指针：
1：const T* ptr1; （指针指向的内容不能修改）
2：T* const ptr2;（指针本身不能修改）
const迭代器模拟的是第一种指针的行为

我们可以通过一个类型来控制返回值，给不同的模板参数不同的实例化，他们就是不同的类

template<class T,class Ref>//添加一个class Ref参数
struct __list_iterator
{Ref operator*()//返回值改为Ref{return _node->_val;}
}template<class T>
class list
{typedef list_node<T> Node;
public:typedef __list_iterator<T,T&> iterator;//普通迭代器typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;//const迭代器//提供const接口const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}
};

->

T* operator->()
{return &_node->_val;
}

struct A
{A(int a1 = 0,int a2 = 0):_a1(a1),_a2(a2){}int _a1;int _a2;
};void test1()
{list<A> lt;lt.push_back(A(1, 1));lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back(A(3, 3));lt.push_back(A(4, 4));list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;++it;}cout << endl;
}

运行效果
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
const迭代器，也需要添加一个模板参数

//typedef __list_iterator<T,T&,T*> iterator;//普通迭代器
//typedef __list_iterator<T, const T&,const T*> const_iterator;//const迭代器
template<class T,class Ref,class Ptr>

insert

insert默认都是在pos位置之前插入（任意位置都可以），所以insert不需要做检查
erase则需要检查（因为哨兵位的结点不可删）

//pos位置之前插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{//首先得换成结点的指针，因为迭代器不好访问数据Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;	  //前一个位置Node* newnode = new Node(x);  //新结点prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;return newnode;
}

库里面的insert返回的是新插入位置的迭代器，所以我们实现时和库里保持一致

erase

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;//前一个结点Node* next = cur->_next;//后一个结点prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;return next;	//返回下一个位置
}

注意：这里会存在迭代器失效的问题，因为pos位置的结点已经被我们释放掉了，所以我们需要返回下一个位置的迭代器，而不是void

代码复用

当我们实现完insert和erase之后，尾插、头插、尾删、头删都可以复用

尾插

//尾插
void push_back(const T& x)
{//Node* tail = _head->_prev;//找尾//Node* newnode = new Node(x);//调用构造函数//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;//newnode->_next = _head;//_head->_prev = newnode;//复用//尾插 - 在哨兵位的前面插入insert(end(), x);
}

头插

void push_front(const T& x)
{//头插//在第一个位置插入，也就是begin的前面insert(begin(), x);
}

尾删

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

头删

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

size

size有两种实现方法

方法一：

size_t size()
{size_t sz = 0;iterator it = begin();while (it != end()){++sz;++it;}return sz;
}

方法二：
增加一个_size成员初始化为0，每次插入++_size，每次删除–_size

size_t size()
{return _size;
}private:Node* _head;size_t _size;//增加成员

clear和析构

void clear()
{//clear - 清除所有数据，不清哨兵位iterator it = begin();while (it != end()){//这里erase之后就不能进行++了，因为他失效了//所以得接收返回值(返回值是下一个结点）it = erase(it);}
}

析构可以直接复用clear

~list()
{//析构clear();delete _head;_head = nullptr;
}

测试一下：

void test1()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.insert(lt.end(), 3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.erase(lt.begin());for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.push_front(1);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_front();lt.pop_back();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.clear();lt.push_back(10);lt.push_back(20);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;cout << "size=" << lt.size() << endl;
}

运行效果

在这里插入图片描述

拷贝构造和empty_init

拷贝构造

// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{//初始化_head = new Node;//哨兵位指向自己_head->_prev = _head;_head->_next = _head;//T对象不确定，所以最好加上引用//遍历lt1，把lt1的数据插入到lt2for (auto& e : lt){push_back(e);}
}

empty_init

void empty_init()
{_head = new Node;//哨兵位指向自己_head->_prev = _head;_head->_next = _head;
}

复用

list()
{empty_init();
}// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{empty_init();//T对象不确定，所以最好加上引用//遍历lt1，把lt1的数据插入到lt2for (auto& e : lt){push_back(e);}
}

赋值和swap

void swap(list<T>& lt)
{std::swap(_head, lt.head);
}

赋值

list<T>& operator=(list<T> lt)
{//现代写法swap(lt);return *this;
}

测试一下

void test2()
{list<int> lt1;lt1.push_back(1);lt1.push_back(2);lt1.push_back(3);lt1.push_back(4);list<int> lt2(lt1);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;list<int> lt3;lt3.push_back(10);lt3.push_back(20);lt3.push_back(30);lt3.push_back(40);lt1 = lt3;for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;
}

运行效果
在这里插入图片描述

完整代码

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>using namespace std;namespace List
{template<class T>struct list_node{list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;T _val;//构造函数list_node(const T& val = T())	//缺省值不能给0，因为T不一定是内置类型:_next(nullptr),_prev(nullptr),_val(val){}};template<class T,class Ref,class Ptr>struct __list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T, Ref,Ptr> self;Node* _node;//用一个结点的指针构造一个迭代器__list_iterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){//*it默认解引用是结点，我们不想要结点，我们要的是数据return _node->_val;}Ptr operator->(){return &_node->_val;}//迭代器++返回的还是迭代器self& operator++(){//我们想++做的是让他走向下一个结点//（原生指针是加一个结点的大小，这样并不能到下一个结点的位置）_node = _node->_next;return *this;}//后置++self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//前置--self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置--self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& it) const{//使用结点的指针来进行比较return _node != it._node;}bool operator==(const self& it) const{//使用结点的指针来进行比较return _node == it._node;}};template<class T>class list{typedef list_node<T> Node;public:typedef __list_iterator<T,T&,T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&,const T*> const_iterator;iterator begin(){//单参数的构造函数支持隐式类型转换//return _head->_next;return iterator(_head->_next);}iterator end(){//return _head;return iterator(_head);}const_iterator begin() const{//单参数的构造函数支持隐式类型转换//return _head->_next;return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{//return _head;return const_iterator(_head);}void empty_init(){_head = new Node;//哨兵位指向自己_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}list(){empty_init();}// lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();//T对象不确定，所以最好加上引用//遍历lt1，把lt1的数据插入到lt2for (auto& e : lt){push_back(e);}}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);}list<T>& operator=(list<T> lt){//现代写法swap(lt);return *this;}~list(){//析构clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){//clear - 清除所有数据，不清哨兵位iterator it = begin();while (it != end()){//这里erase之后就不能进行++了，因为他失效了//所以得接收返回值(返回值是下一个结点）it = erase(it);}}//尾插void push_back(const T& x){//Node* tail = _head->_prev;//找尾//Node* newnode = new Node(x);//调用构造函数//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;//newnode->_next = _head;//_head->_prev = newnode;//复用//尾插 - 在哨兵位的前面插入insert(end(), x);}void push_front(const T& x){//头插//在第一个位置插入，也就是begin的前面insert(begin(), x);}void pop_back(){//尾删erase(--end());}void pop_front(){//头删erase(begin());}//pos位置之前插入iterator insert(iterator pos, const T& x){//首先得换成结点的指针，因为迭代器不好访问数据Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;	  //前一个位置Node* newnode = new Node(x);  //新结点prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;return newnode;}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;//前一个结点Node* next = cur->_next;//后一个结点prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;return next;}size_t size(){size_t sz = 0;iterator it = begin();while (it != end()){++sz;++it;}return sz;}private:Node* _head;};void Print(const list<int>& lt){list<int>::const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//(*it) += 1;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}struct A{A(int a1 = 0,int a2 = 0):_a1(a1),_a2(a2){}int _a1;int _a2;};void test1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.insert(lt.end(), 3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.erase(lt.begin());for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.push_front(1);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_front();lt.pop_back();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.clear();lt.push_back(10);lt.push_back(20);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;cout << "size=" << lt.size() << endl;}void test2(){list<int> lt1;lt1.push_back(1);lt1.push_back(2);lt1.push_back(3);lt1.push_back(4);list<int> lt2(lt1);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;list<int> lt3;lt3.push_back(10);lt3.push_back(20);lt3.push_back(30);lt3.push_back(40);lt1 = lt3;for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;}
}