[ C++ ] STL_list 使用及其模拟实现

 本篇博客学习有关STL库中list的使用及其重要接口的模拟实现。

1.list的介绍及使用

1.1 list的介绍

​​list官方文档介绍​​

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)

1.2 list的使用

 list中的接口比较多，我们只需要熟悉使用常用的接口以及深入研究其背后的原理即可。

2.list的迭代器

list的迭代器是一个自定义类型的指针，该指针指向list中的某个节点

List 的迭代器

迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：

1. 原生态指针，比如：vector

2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下 方法：

        1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()

        2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()

        3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)             

            至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表

            可以向前 移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--

        4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

我们首先实现一个简单的list的iterator

注意：

1、begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动。

2、rebegin(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。

// T  T&  T*
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    struct __list_iterator
    {
        typedef list_node<T> Node;
        typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
        Node* _node;

        __list_iterator(Node* node)
            :_node(node)
        {}


        Ref operator*()
        {
            return _node->_data;
        }

        Ptr operator->()
        {
            //返回的是节点数据的地址  AA*
            return &_node->_data;
        }

        self& operator++()
        {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

        //后置++
        self operator++(int)
        {
            self tmp(*this);
            _node = _node->_next;
            return tmp;
        }
        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)
        {
            return _node != it._node;
        }

        bool operator==(const self& it)
        {
            return

3.list的构造

构造空的list：

list()
    {
      _head = new Node();
      _head->_next = _head;
      _head->_prev = _head;
    }

拷贝构造函数：

list(const list<T>& lt)
    {
      _head = new Node();
      _head->_next = _head;
      _head->_prev = _head;

      for (auto e : lt)
      {
        push_back(e);
      }

    }

用[first, last)区间中的元素构造list：

template <class InputIterator>
    list(InputIterator first, InputIterator last)
    {
      _head = new Node();
      _head->_next = _head;
      _head->_prev = _head;

      while (first != last)
      {
        push_back(*first);
        ++first;
      }
    }

4. list capacity

5. list常用接口

5.1 insert

方法：

1、首先创建一个新节点newnode，赋值为x。

2、创建两个指针，cur指向pos位置的节点，prev指向pos位置之前的节点

3、prev newnode cur 三个指针依次连接，返回newnode的迭代器。
 

代码实现：

//插入在pos位置之前
    iterator insert(iterator pos, const{
      Node* newNode = new Node(x);
      Node* cur = pos._node;
      Node* prev = cur->_prev;
      //prev newnode cur
      prev->_next = newNode;
      newNode->_prev = prev;
      newNode->_next = cur;
      cur->_prev = newNode;
      return iterator(newNode);
    }

5.2 push_front 

方法：

1、我们复用insert即可，头插就是在第一个元素前插入一个元素，因此我们只需要insert(begin(),x)即可

代码实现：

void push_front(const{
      insert(begin(), x);
    }

5.3  push_back

方法：

1、尾插，就是在最后一个节点后插入新节点，我们依然可以复用insert,由于我们实现的list是双向循环链表，因此我们只需要在end前插即可

void push_back(const{
      //Node* tail = _head->_prev;
      //Node* newnode = new Node(x);
      //// _head tail newnode 
      //tail->_next = newnode;
      //newnode->_prev = tail;
      //newnode->_next = _head;
      //_head->_prev = newnode;
      
            insert(end(), x);
    }

5.4 erase

方法：

1、首先创建3个指针，cur指向pos位置的节点，prev指向pos位置的前一个节点，next指向pos位置的后一个节点。

2、让prev和next相互连接

3、delete掉cur，返回next指针指向节点的迭代器

代码实现：

//删除后指向erase(it)之后的节点
    iterator erase(iterator pos){
      assert(pos != end());
      Node* cur = pos._node;
      Node* prev = cur->_prev;
      Node* next = cur->_next;

      //prev next
      prev->_next = next;
      next->_prev = prev;
      delete cur;

      return iterator(next);
    }

5.5  pop_front

头删，复用erase即可

代码实现：

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

5.6 pop_back

尾删，复用erase即可

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

5.7 swap

list的swap交换，只要交换两个链表的head，即可讲两个链表相互交换

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

5.8 clear

方法：

链表的clear：我们需要将链表的每一个节点释放掉，因此我们使用迭代器时erase即可。

void clear(){
      iterator it = begin();
      while (it != end())
      {
        it = erase(it);
      }
    }

6.list的迭代器失效

前面说过，此处大家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。

我们来看这段代码：

void TestListIterator1(){
  int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
  list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
  auto it = l.begin();
  while (it != l.end())
  {
    // erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值
      l.erase(it);
    ++it;
  }
}

erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给

其赋值。

代码改正：

我们在删除it的时候，让it++即可巧妙地解决这个问题。

void TestListIterator(){
  int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
  list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
  auto it = l.begin();
  while (it != l.end())
  {
    l.erase(it++); // it = l.erase(it);

7. list 和 vector 的对比

vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：

(本篇完)