[C/C++]详解STL容器3--list的功能和模拟实现（迭代器失效问题）
Posted TT在长大
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[C/C++]详解STL容器3--list的功能和模拟实现（迭代器失效问题）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文介绍了list的常用接口的使用，并对其进行了模拟实现，包括list迭代器的实现。
目录
一、list的介绍
list 容器，又称双向链表容器，即该容器的底层是以双向链表的形式实现的。这意味着，list 容器中的元素可以分散存储在内存空间里，而不是必须存储在一整块连续的内存空间中。结构如图。
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。最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，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；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息。
二、list的常用接口的使用
1. list的构造
| 构造函数（ (constructor)） | 接口说明 |
|---|---|
| list() | 构造空的list |
| 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 (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 |
#include <iostream>
#include <list>
int main ()
{
std::list<int> a; // 构造空的a
std::list<int> b (4,1); // b中放4个值为100的元素
std::list<int> c (b.begin(), b.end()); // 用b的[begin(), end()）左闭右开的区间构造c
std::list<int> d (c); // 用c拷贝构造d
// 以数组为迭代器区间构造e
int array[] = {16,2,77,29};
std::list<int> e (array, array + sizeof(array) / sizeof(int) );
// 用迭代器方式打印e中的元素
for(std::list<int>::iterator it = e.begin(); it != e.end(); it++)
std::cout << *it << " ";
std::cout<<endl;
// C++11范围for的方式遍历
for(auto& e : e)
std::cout<< e << " ";
std::cout<<endl;
return 0;
}2. list iterator的使用
| 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 |
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。
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
void print_list(const list<int>& l)
{
// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象
for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
// *it = 10; 编译不通过
}
cout << endl;
}
int main()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 使用正向迭代器正向list中的元素
for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
cout << *it << " ";
cout << endl;
// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
for (list<int>::reverse_iterator it = l.rbegin(); it != l.rend(); ++it)
cout << *it << " ";
cout << endl;
return 0;
}3.list capacity的使用
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| empty | 检测list是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回list中有效节点的个数 |
4.list element access
| 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 |
5.list modifiers
| 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 |
6. list的迭代器失效
此处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。
三、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 | |
| 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 |
四、list的模拟实现
list的模拟实现十分有趣，这里需要注意，list本身和list的节点是不同的结构，所以需要分开设计。成员都是只需浅拷贝，所以拷贝构造，析构 ，重载 = 都可以使用默认。
list iterator也需要单独设计，因为原生指针已经无法满足迭代器需求，所以需要封装，让它像一个指针一样完成访问操作。
通过template <class T, class Ref, class Ptr>区别T&，*T。
#include <iostream>
#include <list>
#include <assert.h>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;
namespace Zht
{
template <class T>
struct _list_node //list本身和list的节点是不同的结构，所以需要分开设计，这里是list节点的结构
{
T val; //数据
_list_node<T>* _next; //下一个节点指针
_list_node<T>* _prev; //上一个
_list_node(const T& val = T()) //构造节点
:val(val) //传的参
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{
}
};
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct _list_iterator
{
typedef _list_node<T> node;
typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
node* _pnode; //迭代器本质上是指针
_list_iterator(node* pnode) //构造函数
:_pnode(pnode)
{
}
//这里，成员都是只需浅拷贝，所以拷贝构造，析构 ，重载 = 都可以使用默认
Ref operator*() //重载*,通过Ref灵活的调整const和普通。
{
return _pnode->val;
}
bool operator!=(const self& s) const
{
return _pnode != s._pnode;
}
bool operator==(const self& s) const
{
return _pnode == s._pnode;
}
self& operator++() //++就是指向下一个节点
{
_pnode = _pnode->_next;
return *this;
}
self operator++(int) //C++规定后缀调用需要有一个int型参数作为区分前缀与后缀调用的区别
{
self tmp (*this);
++*this;
return tmp; //*this++后++
}
self& operator--()
{
_pnode = _pnode->_prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self tmp (*this);
--*this;
return tmp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
};
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;
list() //构造函数，构造哨兵位
{
_head = new node; //开一个节点
_head->_next = _head; //初始化节点
_head->_prev = _head;
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
_head = new node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
while(first != last)
{
push_back(*first);
first++;
}
}
list(const list<T>& It)
{
_head = new node; //构造哨兵节点
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
for(const auto& e : It) //逐个尾插
{
push_back(e);
}
}
list<T>& operator=(list<T> It)
{
swap(_head, It._head);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
const_iterator begin() const //调用const的迭代器，返回一个用_head->next构造的迭代器对象
{
return const_iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
void push_back(const T& x) //只有哨兵位的也可以通用
{
/* node* newnode = new node(x); //创建新节点
node* tail = _head->_prev; //当前的最后一个节点
tail->_next = newnode;
newnode->_next = _head;
newnode->_prev = tail;
_head->_prev = newnode;*/
insert(iterator(end()), x); //前一个就是尾
}
void push_front(const T& x)
{
insert(iterator(begin),x);
}
void pop_back()
{
erase(iterator(--end()));
}
void pop_front()
{
erase(iterator(begin()));
}
iterator insert(iterator pos, const T& val) //pos位置前插入
{
node* newnode = new node(val);
node* tail = pos._pnode;
newnode->_next = tail;
newnode->_prev = tail->_prev;
newnode->_prev->_next = newnode; //还要让前一个指向自己
pos._pnode->_prev = newnode;
return iterator(newnode); //需要返回迭代器；
}
iterator erase(iterator pos) //删除pos位置
{
assert(pos._pnode);
assert(pos != end());
node* tail = pos._pnode;
node* ret = tail->_next;
tail->_prev->_next = tail->_next;
tail->_next->_prev = tail->_prev;
delete tail;
return iterator(ret); //返回下一个
}
bool empty()
{
return begin() == end();
}
size_t size()
{
size_t sz = 0;
iterator it = begin();
while(it != end())
{
sz++;
it++;
}
return sz;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while(it != end())
{
erase(it);
it++;
}
}
private:
node* _head;
};
void PrintList(const list<int>& It)
{
list<int>::const_iterator it = It.begin();
while(it != It.end())
{
cout << *it <<endl;
++it;
}
cout << endl;
}
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())
{
*it += 1;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
PrintList(lt);
}
}
以上是关于[C/C++]详解STL容器3--list的功能和模拟实现（迭代器失效问题）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
[C/C++]详解STL容器2--vector的功能和模拟实现(迭代器失效,memcpy拷贝问题)
[C/C++]详解STL容器3--stackqueue和priority_queue的功能和模拟实现，deque和容器适配器的介绍
[C/C++]详解STL容器8-mapmultimapsetmultiset的介绍和使用
[C/C++]详解STL容器8-mapmultimapsetmultiset的介绍和使用