C++|[C/C++]详解STL容器3--list的功能和模拟实现(迭代器失效问题)

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。
【C++|[C/C++]详解STL容器3--list的功能和模拟实现(迭代器失效问题)】目录
一、list的介绍
二、list的常用接口的使用
1. list的构造
2. list iterator的使用
3.list capacity的使用
4.list element access
5.list modifiers
6. list的迭代器失效
三、list与vector的对比
四、list的模拟实现
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。
C++|[C/C++]详解STL容器3--list的功能和模拟实现(迭代器失效问题)
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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 #include int main () { std::list a; // 构造空的a std::list b (4,1); // b中放4个值为100的元素std::list c (b.begin(), b.end()); // 用b的[begin(), end())左闭右开的区间构造cstd::list 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 e (array, array + sizeof(array) / sizeof(int) ); // 用迭代器方式打印e中的元素 for(std::list::iterator it = e.begin(); it != e.end(); it++) std::cout << *it << " "; std::cout<

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 using namespace std; #include void print_list(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; }int main() { 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 for (list::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::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



动态顺序表,一段连续空间 带头结点的双向循环链表


访
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)




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




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


原生态指针 对原生态指针(节点指针)进行封装




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


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 区别T&,*T。
#include #include #include #include #include #include using namespace std; namespace Zht { template 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* _next; //下一个节点指针 _list_node* _prev; //上一个_list_node(const T& val = T())//构造节点 :val(val)//传的参 ,_prev(nullptr) ,_next(nullptr) {} }; template struct _list_iterator { typedef _list_node node; typedef _list_iterator 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 list { typedef _list_node node; public: typedef _list_iterator iterator; typedef _list_iterator 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 list(Iterator first, Iterator last) { _head = new node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; while(first != last) { push_back(*first); first++; } }list(const list& 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& operator=(list 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& It) { list::const_iterator it = It.begin(); while(it != It.end()) { cout << *it < lt; lt.push_back(1); lt.push_back(2); lt.push_back(3); lt.push_back(4); list::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); } }



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