由浅到深-模拟实现list-创新互联

前言

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作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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目录

一 、见见STL中的list

1、list的介绍

2、list的常见接口

二、list的模拟实现

1、list框架搭建

2、模拟实现list迭代器

3、list整体实现 

三、list和vector的对比

1、对比二者的优缺点

2、list和vector的排序效率 

本期学习目标：认识STL中的list，模拟实现list,对list的迭代器深入理解，对比list和vector。

一 、见见STL中的list 1、list的介绍

下面我们了看看cpulcpul官网中的介绍：

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)。

从上面的介绍中我们初步认识到了list的是带头双向链表，对于要掌握的数据结构之一，下面我们一起来回忆一下他的增删查改操作。 

2、list的常见接口

list的有很多接口，下面我们主要介绍几个重点接口：

list的构造

因为list在C++中是用类来封装的，他也就有自己的构造函数，但由于list初始化的场景非常多，所以他有多个构造函数，下面的在模拟实现的时候可以细细体会，下面我们先见见有哪些构造函数：

构造函数(Construct)

接口说明

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()

构造空的list

list (const list& x)

拷贝构造函数

list (InputIterator first, InputIterator last)

用[first, last)区间中的元素构造list

list modifiers 

为来对list进行修改，也提供了一些修改的接口：

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

二、list的模拟实现

为了更好的理解list的底层实现，下面将大家一起去模拟实现list。

1、list框架搭建

我们要模式实现list，而list是个带头双向链表，那么我们首先搭建一个list_node的类模板

struct list_node
	{
		list_node*  _next;//指向后一个节点
		list_node*  _prev;//指向前一个节点
		T _data;//节点中的数据
		list_node(const T& x)
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

这里我们要注意的是我们不仅仅定义了节点的指向，我们还应该对节点进行初始化。

有了节点，那么我们就应该定义list类的主体，他的私有变量应该要有指向list_node的指针head,和记录链表个数的size,为了方便定义，这里我们可以直接对list_node的变量名重定义。

templateclass list
	{
		typedef list_nodenode;
	public:
        //各种成员函数
	private:
		node* _head;
		size_t _size;
	};

下面我们就要实现各种成员函数就可以了，但是在实现成员函数之前，我们要先实现list的迭代器。

2、模拟实现list迭代器

我们在模式实现vector的迭代器的时候，认为迭代器就是一个指针。那么我们这里也可以把list的迭代器当作指针实现吗？这里显然是不可以的，为什么这么说呢？

当一个指针++他跳过的是他的一个类型的大小，但是list节点并不是挨个存储的他节点的空间是随机的，节点间是依靠节点中存放对方的地址指向对方的。

其实不仅仅++操作不满足，还有许多操作都是不满足的，如--操作。

我们又该如何解决这个问题呢？

其实我们可以用一个类模板，包含迭代器功能的成员函数，就可以解决。当我们调用迭代器时其实就是调用类模板中的成员函数。

但是这里要注意一个细节：由于成员函数他的返回值可能存在类型的差异，比如：*解引用的时候，返回_pnode->_data,但是->的时候是&_pode->_data;

这样类模板的参数就不仅仅是一个模板参数，而要三个模板参数才能解决。

//定义迭代器
	templatestruct __list_iterator
	{
		typedef list_nodenode;
		typedef __list_iteratorSelf;
		node* _pnode;
		//初始化
		__list_iterator(node* p)
			:_pnode(p)
		{}

		Ptr operator->()
		{
			return &_pnode->_data;
		}
		Ref operator*()
		{
			return _pnode->_data;
		}
		Self& operator++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}
		Self operator++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_next;
			return tmp;
		}
		Self& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->prev;
			return *this;
		}
		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_prev;
			return tmp;
		}
		bool operator!=(const Self it)const
		{
			return _pnode != it._pnode;
		}
		bool operator==(const Self& it)const
		{
			return _pnode == it._pnode;
		}
	};

其实不少同学可能会困惑，为什么要在迭代器中重载出->,这个不是我们在用结构体或者类中指针成员才用到的吗？

我们要明白list节点中可能存放的不是数据,也可能是存放指针一个结构体的指针。

下面我们来看代码理解：

struct Pos
	{
		int _row;
		int _col;

		Pos(int row = 0, int col = 0)
			:_row(row)
			, _col(col)
		{}
	};

	void print_list(const list& lt)
	{
		list::const_iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//it->_row++;

			cout<< it->_row<< ":"<< it->_col<< endl;

			++it;
		}
		cout<< endl;
	}
	void test3()
	{
		listlt;
		Pos p1(1, 1);
		lt.push_back(p1);
		lt.push_back(p1);
		lt.push_back(p1);
		lt.push_back(Pos(2, 2));
		lt.push_back(Pos(3, 3));

		// int* p  ->*p
		// Pos* p  ->p->list::iterator it = lt.begin();
		//list::iterator it2 = it;
		while (it != lt.end())
		{
			it->_row++;

			//cout<< (&(*it))->_row<< ":"<< (*it)._col<< endl;
			cout<< it->_row<< ":"<< it->_col<< endl;
			//cout<< it.operator->()->_row<< ":"<< it->_col<< endl;

			++it;
		}
		cout<< endl;

		print_list(lt);
	}

这里我们定义了一个Pos的类，他的功能就是记录row 和col,在定义一个函数print_list打印list中的做标，下面在我们的测试函数在插入一些数据。如果是在测试函数体内打印lt本来是非常复杂的如果没有重载迭代器的->.

这里理解: (&(*it))->_row？----->简单的来是就是要拿到这个it节点中的数据

如果我们要拿到Pos中的数据就只要用Pos创建一个变量p,p->row,就能拿到类中的数据，但是现在我们只有一个指向链表节点的迭代器，也就是只要我们*解引用it就能拿到节点中的数据，但是节点中的数据是一个类的，要能到类Pos的数据就要拿到类的地址，并用->指向结构体中变量的数据。

听起来是不是好晕，所以为了简化操作我们就在迭代器的类中封装了->.

Ptr operator->()
		{
			return &_pnode->_data;//&这里是取地址，也就是说返回的指针
		}

迭代器失效问题 

我们都知道迭代器是用类封装好的里面有功能各异的成员函数，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。

3、list整体实现 

这里我们在整体实现的时候仍然采取分文件的做法，test.cpp用来包含所要的头文件，list.h用来实现list的主体内容。

test.cpp

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include#include
using namespace std;
#include"list.h"

int main()
{
	pjb::test1();
	return 0;
}

list.h

#pragma once//防止头文件被多次包含


namespace pjb
{
	templatestruct list_node
	{
		list_node*  _next;
		list_node*  _prev;
		T _data;
		list_node(const T& x)
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};
	//定义迭代器
	templatestruct __list_iterator
	{
		typedef list_nodenode;
		typedef __list_iteratorSelf;
		node* _pnode;
		//初始化
		__list_iterator(node* p)
			:_pnode(p)
		{}

		Ptr operator->()
		{
			return &_pnode->_data;
		}
		Ref operator*()
		{
			return _pnode->_data;
		}
		Self& operator++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}
		Self operator++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_next;
			return tmp;
		}
		Self& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->prev;
			return *this;
		}
		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_prev;
			return tmp;
		}
		bool operator!=(const Self it)const
		{
			return _pnode != it._pnode;
		}
		bool operator==(const Self& it)const
		{
			return _pnode == it._pnode;
		}
	};

	//定义lsit的类
	templateclass list
	{
		typedef list_nodenode;
	public:
		typedef __list_iteratoriterator;
		typedef __list_iteratorconst_iterator;
		//初始化哨兵位的头
		void empty_initialize()
		{
			_head = new node(T());
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}
		//构造函数
		list()
		{
			empty_initialize();
		}
		//析构函数
		~list()
		{
			clear();
			//清除头节点
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
		templatelist(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			empty_initialize();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		const_iterator begin() const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator end() const
		{
			return const_iterator(_head);
		}
		
		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

		//交换
		void swap(list& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}
		//lt2(lt1)
		list(const list& lt)
		{
			empty_initialize();
			listtmp(lt.begin(), lt.end());
			swap(tmp);
		}
		//lt3 = lt1
		list& operator=(listlt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}
		//删除
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			node* prev = pos._pnode->_prev;
			node* next = pos._pnode->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete pos._pnode;
			--_size;
			return iterator(next);
		}
		//插入
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			//为插入申请新空间
			node* newnode = new node(x);
			node* cur = pos._pnode;//指向要插入位置的节点
			node* prev = cur->_prev;

			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			++_size;
			return iterator(newnode);//返回新节点的地址
		}
		//尾插
		void push_back(const T& x)
		{
			insert(end(),x);
		}
		//头插
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		//尾删除
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		bool empty()const
		{
			return _size == 0;
		}
		size_t size()const
		{
			return _size;
		}

	private:
		node* _head;
		size_t _size;
	};
	//简单测试
	void test1()
	{
		listlt;
		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())
		{
			cout<< *it<< " ";
			++it;
		}
		cout<< endl;
	}
}

这里我们看到模拟实现的时候，我们还写了一个测试案例，下面去验证一下

三、list和vector的对比 1、对比二者的优缺点

vector

Vector的优缺点

优点

缺点

下标支持随机访问

前面部分效率低O（N）

尾插尾删效率高

扩容有消耗，存在一定的空间浪费

Cpu高速缓存命中高

list 

list的优缺点

优点

缺点

按需申请空间，无需扩容

不支持随机访问

任意位置插入删除O(1)

Cpu高速缓存命中低

2、list和vector的排序效率 

这里我们要注意的是list有自己专门sort排序，而vector是用算法库中的排序，这是因为list的结构的特殊性，算法库中的不能够满足list的排序。

那二者那个效率更好呢?

测试10万个数据二者的排序时间的差异：

void test_op()
{
	srand(time(0));
	const int N = 100000;
	vectorv;
	v.reserve(N);

	listlt;
	for (int i = 0; i< N; ++i)
	{
		auto e = rand();
		v.push_back(e);
		lt.push_back(e);
	}

	int begin1 = clock();
	//对v排序
	sort(v.begin(), v.end());
	int end1 = clock();
	int begin2 = clock();
	//对lt排序
	lt.sort();
	int end2 = clock();
	printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);
	printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}

int main()
{
	test_op();
	return 0;
}

从上面来看vector的排序效率是远大于list的，所以我们一个尽量不要使用list的排序。

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