【浅尝C++】STL第三弹=＞list常用接口使用示例/list底层结构探索/list模拟实现代码详解

2024-04-03 03:28
文章标签 代码 c++ 实现 接口 使用 详解 模拟 底层 探索 结构 常用 示例 list stl 第三 浅尝

本文主要是介绍【浅尝C++】STL第三弹=＞list常用接口使用示例/list底层结构探索/list模拟实现代码详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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文章目录

  • list介绍
  • list常用接口使用示例
    • 构造类函数
    • 迭代器
    • 属性与元素获取
    • 增删改操作
  • list底层结构探索
  • list模拟实现
    • 正向迭代器实现
    • 增删操作
    • 属性获取操作
    • 构造类函数
    • 整体代码汇总
  • list与vector比较

list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常用接口使用示例

下面仅给出list部分常用接口及使用示例，更多关于list接口的介绍请参阅->list参考文档

构造类函数

接口声明接口描述
list(size_type n, const value_type& val = value_type())用n个值为val的元素构造list
list()构造空的list
list(const list& x)拷贝构造函数
list(InputIterator first, InputIterator last)用[first,last)区间元素构造list

下面给出上述接口的示例代码↓↓↓

#include <iostream>
#include <string>
#include <list>
using namespace std;void testList()
{list<int>lt1(5,8);for(auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;list<int>lt2;cout << "lt2's size is " << lt2.size() << endl;list<int>lt3(lt1);for(auto e : lt3){cout << e << " ";}cout << endl;string s = "Jammingpro";list<char>lt4(s.begin(), s.end());for(auto e : lt4){cout << e << " ";}cout << endl;
}int main()
{testList();return 0;
}

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迭代器

接口声明接口描述
begin + end返回第一个元素的迭代器/返回最后一个元素的下一位置的迭代器
rebegin + rend返回最后一个元素的下一位置/返回第一个元素的位置

在这里插入图片描述

list底层是带头双向链表，begin指向第一个有效元素（头结点的后继节点），end指向头结点，迭代器begin每次++，每次向后移动，当与end重合时，则正向迭代结束。rbegin指向头结点，end指向第一个有效元素（头结点的后继节点），当要对rbegin解引用时，rbegin底层会执行*(rbegin->prev)，返回rbegin指向节点的前驱节点的数据。即使rbegin指向头结点，但对它解引用获得的是头节后前驱节点的数据；当rbegin与end重合时则迭代结束。

下面来看一下list迭代器的使用示例代码↓↓↓

#include <iostream>
#include <string>
#include <list>
using namespace std;void testList()
{string s = "Jammingpro";list<char>lt(s.begin(), s.end());list<char>::iterator it = lt.begin();while(it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;cout << "===================================" << endl;list<char>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();while(rit != lt.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;
}int main()
{testList();return 0;
}

在这里插入图片描述
对于const类型的list容器，需要配套使用const_iterator/const_reverse_iterator来进行正反向迭代。

★ps：begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动；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

属性与元素获取

接口声明接口声明
empty检查list是否为空
size返回list中有效节点的个数
front返回list的第一个节点中的值的引用
back返回list的最后一个节点中的值的引用

上面接口相较简单，这里这届给出示例代码↓↓↓

#include <iostream>
#include <string>
#include <list>
using namespace std;void testList()
{string s = "Jammingpro";list<char>lt;cout << "lt is empty?" << lt.empty() << endl;cout << "The size of lt is " << lt.size() << endl;for(auto ch : s){lt.push_back(ch);}cout << "lt is empty?" << lt.empty() << endl;cout << "The size of lt is " << lt.size() << endl;cout << "The first element is " << lt.front() << endl;cout << "The last element is " << lt.back() << endl;
}int main()
{testList();return 0;
}

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增删改操作

接口声明接口说明
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pos位置中插入值为val的元素
erase删除pos位置的元素
swap交换两个list中的元素
clear情况list中的有效元素

上面接口的使用示例代码如下↓↓↓

#include <iostream>
#include <string>
#include <list>
using namespace std;void testList()
{string s = "Jammingpro";list<char>lt(s.begin(), s.end());lt.push_back('!');lt.push_front('@');for(auto e : lt){cout << e;}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_front();for(auto e : lt){cout << e;}cout << endl;lt.insert(++lt.begin(), '#');for(auto e : lt){cout << e;}cout << endl;lt.erase(++lt.begin());for(auto e : lt){cout << e;}cout << endl;string s = "xiaoming";list<char> lt2(s.begin(), s.end());lt.swap(lt2);for(auto e : lt){cout << e;}cout << endl;cout << "before clear size is " << lt.size() << endl;lt.clear();cout << "after clear size is " << lt.size() << endl;
}int main()
{testList();return 0;
}

在这里插入图片描述

list底层结构探索

由监视窗口可以看到，list容器中包含指向头结点地址的指针及容器内有效元素的个数。每个节点包含前驱指针、后继指针及值域，故list底层是带头双向循环链表。
在这里插入图片描述

list模拟实现

在模拟list之前，由于list的结构是双向链表，因而需要定义节点类型。↓↓↓

template<class T>
struct node
{node* _prev = nullptr;node* _next = nullptr;T _data;node(const T& x = T()):_data(x){}
};

正向迭代器实现

由于链表的各个节点无法实现++或者–操作，因此，我们需要将迭代器封装为一个类（结构体）。在该类（接口体）中重载迭代器的各种操作。其中Ptr就是T*，Ref就是T&。

若定义list<char>::iterator it，则*it是为了获取节点中存的数据，因此operator*中中需要返回节点的数值，即_node->_data。对于it的其他运算符重载如下方代码所示↓↓↓

template<class T, class Ptr, class Ref>
struct __list_iterator
{typedef __list_iterator<T, Ptr, Ref> Self;node<T>* _node;__list_iterator(node<T>* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(_node);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return this;}Self operator--(int){Self tmp(_node);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator==(const Self& lt){return _node == lt._node;}bool operator!=(const Self& lt){return _node != lt._node;}
};

增删操作

void push_back(const T& val)
{Node* tail = _head->_prev;Node* newnode = new Node(val);tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;_size++;
}
void pop_back()
{assert(!empty());Node* tail = _head->_prev;Node* tailPrev = tail->_prev;tailPrev->_next = _head;_head->_prev = tailPrev;delete tail;_size--;
}
void push_front(const T& val)
{Node* first = _head->_next;Node* newnode = new Node(val);_head->_next = newnode;newnode->_prev = _head;newnode->_next = first;first->_prev = newnode;_size++;
}
void pop_front()
{assert(!empty());Node* first = _head->_next;Node* second = first->_next;_head->_next = second;second->_prev = _head;delete first;_size--;
}
void insert(iterator pos, const T& val)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;
}
void erase(iterator it)
{Node* cur = it._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;_size--;
}

属性获取操作

bool empty() const
{return _size == 0;
}
size_t size() const
{return _size;
}

构造类函数

list():_head(new Node)
{_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}
list(const list<T>& lt)
{Node* prev = _head;Node* cur = _head;Node* p = lt._head->_next;while (p != lt._head){cur = new Node(p->_data);prev->_next = cur;cur->_prev = prev;p = p->_next;}_head->_prev = cur;
}
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;while (first != last){push_back(*first);first++;}
}

整体代码汇总

由于我们自己模拟实现的list与库中重名，因此需要将其定义在命名空间内。

#include <iostream>
#include <cassert>using namespace std;namespace jammingpro
{template<class T>struct node{node* _prev = nullptr;node* _next = nullptr;T _data;node(const T& x = T()):_data(x){}};template<class T, class Ptr, class Ref>struct __list_iterator{typedef __list_iterator<T, Ptr, Ref> Self;node<T>* _node;__list_iterator(node<T>* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Self* operator->(){return _node;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(_node);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return this;}Self operator--(int){Self tmp(_node);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator==(const Self& lt){return _node == lt._node;}bool operator!=(const Self& lt){return _node != lt._node;}};template<class T>class list{typedef node<T> Node;public://=====构造类函数=====typedef __list_iterator<T, T*, T&> iterator;typedef __list_iterator<const T, const T*, const T&> const_iterator;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);}list():_head(new Node){_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(const list<T>& lt){Node* prev = _head;Node* cur = _head;Node* p = lt._head->_next;while (p != lt._head){cur = new Node(p->_data);prev->_next = cur;cur->_prev = prev;p = p->_next;}_head->_prev = cur;}template<class InputIterator>list(InputIterator first, InputIterator last){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;while (first != last){push_back(*first);first++;}}//=====增删操作=====void push_back(const T& val){Node* tail = _head->_prev;Node* newnode = new Node(val);tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;_size++;}void pop_back(){assert(!empty());Node* tail = _head->_prev;Node* tailPrev = tail->_prev;tailPrev->_next = _head;_head->_prev = tailPrev;delete tail;_size--;}void push_front(const T& val){Node* first = _head->_next;Node* newnode = new Node(val);_head->_next = newnode;newnode->_prev = _head;newnode->_next = first;first->_prev = newnode;_size++;}void pop_front(){assert(!empty());Node* first = _head->_next;Node* second = first->_next;_head->_next = second;second->_prev = _head;delete first;_size--;}void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;}void erase(iterator it){Node* cur = it._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;_size--;}//=====属性获取类函数=====bool empty() const{return _size == 0;}size_t size() const{return _size;}private:Node* _head;size_t _size = 0;};void test(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);lt.pop_back();lt.pop_back();lt.insert(lt.begin(), 888);lt.erase(lt.begin());lt.push_front(666);lt.pop_front();list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}string s = "jammingpro";list<char>lt2(s.begin(), s.end());for (char ch : lt2){cout << ch << endl;}}
}

list与vector比较

vectorlist
底层结构动态顺序表，一段连续空间带头双向循环链表
随机访问支持随机访问，访问某个元素效率为O(1)不支持随机访问，访问某个元素效率为O(N)
插入和删除任意位置插入与删除效率低，需要移动数据，时间复杂度为O(N)；同时，插入元素时可能需要扩容（开辟空间并拷贝旧数据，释放旧空间），导致效率较低任意位置插入与删除效率高，无需移动数据，时间复杂度为O(N)
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，缓存利用率高底层为动态开辟节点，小节点容易造成内存碎片，空间利用率低，缓存利用率低
迭代器原生指针对原生指针进行封装
迭代器失效在插入元素是，要给迭代器重新赋值；因为插入元素可能导致扩容，导致迭代器指向旧空间（迭代器失效）；删除数据时，也需要给迭代器重新赋值（VS下迭代器失效，g++下不失效）插入元素不会导致迭代器失效，删除元素会导致迭代器失效
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，不关心随机访问效率

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