list的使用与模拟实现
✨前言：在C++ STL的旅程中，我们已经掌握了string和vector这两个重要容器。现在，让我们迎来第三个核心容器——list。与基于动态数组的vector不同，list以其独特的双向链表结构为我们打开了新的编程视角。
专栏：【C++成长之旅】
一、list的介绍与使用
我们对于list的学习和前面string与vector类似，先看官方文档：【list的文档介绍】：
可见，list也是一个类模板。
list的底层其实是一个带有头结点的双向循环链表：
在有了前面string与vector的基础，我们这里对于list的学习就直接采用文档来学习，不在一一列举了。
示例：
#include<list>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{
list<int> l1; //不初始化
list<int> l2(5, 10);//用5个10来初始化
list<int> l3(l2); //拷贝构造
vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6 };
list<int> l4(v.begin(), v.end());//用迭代器区间来初始化
return 0;
}调试：
用法与前面的容器基本相同，我们就不过多阐述了，这里主要对迭代器的分类说明一下，拓展：
迭代器分类
在list这里，我们就要对迭代器的分类有一定了解了，
- 按功能分类：
这个我们都好理解，但是，今天，我们按性质分。 - 按性质分类：
可见，list为双向迭代器，vector为随机迭代器，那有什么区别呢，为什么会有这样的分类？
迭代器按性质分有以下：
几者的关系为继承。先行了解就行。
它们之间的区别为：
有区别的原因就在于其底层的实现不同，还会导致它们适用的算法不同：
在 C++ 标准库的容器中，没有"纯 Input 迭代器"。至少都是 Forward 迭代器，后续随着对容器的学习会了解。
与vector相同， list的迭代器失效问题我们需要注意。
list的迭代器失效
前面说过，我们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。
void Test1()
{
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;
}
}
// 改正
void Test()
{
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);
}
}
对于list的使用，我们就到此为止，因为与string与vector相似，所以我们就简单的演示就没有做。
我们重点来进行list的模拟实现。
二、list的模拟实现
list的底层：
首先我们先来对结点进行封装：
//节点
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node* _next;
list_node* _prev;
list_node(T data = T())
{
_data = data;
_next = _prev = this;
}
};这里我们要说一个点：
答案是：int() = 0
解释：对于用户自定义的类，如果定义了默认构造函数，调用 MyClass() 会初始化对象。对于基本类型，int() 可以看作是这种模式的一种延伸，将其初始化为一个合理的“空”状态。这样就会使得自定义类型与内置类型共用同一个模版了。
由于list的迭代器不再是原生指针，所以我们对list的迭代器进行封装，那么对于iterator与const_iterator我们岂不是要封装两次吗，但是，我们可以这样做，设置三个模板参数（结合最下面list的主框架实现来看）
//迭代器
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 = nullptr)
:_node(node)
{
}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &(_node->_data);
}
//前置
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//后置
Self& operator++(int)
{
_node = _node->_next;
return _node->prev;
}
Self& operator--(int)
{
_node = _node->_prev;
return _node->_next;
}
bool operator!=(const Self& it)const
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const Self& it)const
{
return _node == it._node;
}
};list主框架
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的构造
void init_head()
{
_head = new Node;
}
list()
{
init_head();
}
list(int n, const T& value = T())
{
init_head();
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
init_head();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(list<T>& ls)
:_head(new Node)
{
for (auto i : ls)
{
push_back(i);
}
}
//赋值重载
/*list<T>& operator=(list<T>& ls)
{
for (iterator it = begin();it!=end();)
{
it = erase(it);
}
for (auto i : ls)
{
push_back(i);
}
return *this;
}*/
list<T>& operator=(list<T> ls)
{
swap(ls);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
// List 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 iterator(_head);
return const_iterator(_head);
}
// List Capacity
size_t size()const
{
size_t cnt = 0;
for (auto i : *this)
{
++cnt;
}
return cnt;
}
bool empty()const
{
return _head->_next == _head;
}
// List Access
T& front()
{
return _head->_next->_data;
}
const T& front()const
{
return _head->_next->_data;
}
T& back()
{
return _head->_prev->_data;
}
const T& back()const
{
return _head->_prev->_data;
}
// List Modify
void push_back(T data)
{
/*Node* cur = new Node(data);
cur->_next = _head;
cur->_prev = _head->_prev;
_head->_prev = cur;
cur->_prev->_next = cur;*/
insert(end(), data);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
// 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
Node* newnode = new Node(val);
newnode->_next = pos._node;
newnode->_prev = pos._node->_prev;
newnode->_next->_prev = newnode;
newnode->_prev->_next = newnode;
return newnode;
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
//assert(end());
pos._node->_prev->_next = pos._node->_next;
pos._node->_next->_prev = pos._node->_prev;
iterator it = pos._node->_next;
delete pos._node;
return it;
}
void clear()
{
for (iterator it = begin(); it != end();)
{
it = erase(it);
}
}
void swap(list<T>& ls)
{
std::swap(this->_head, ls._head);
}
private:
Node* _head;
};iterator解释：
在三个模版参数的作用下，就会使得iterator与const_iterator共用同一个模版的情况下实现。当然，也可以写成两个模版，效果是一样的。
还需注意：模板只有在被使用时才会实例化。单纯的typedef声明只是创建了一个类型别名，并不会触发实例化。
我们这里只是实现正向迭代器，反向迭代器简单说明一下：
反向迭代器的++就是正向迭代器的–，反向迭代器的–就是正向迭代器的++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。
三、list与vector的比较
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：
| 特性 | 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，导致效率更低 | 任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为 O(1) |
| 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 | 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；删除操作会使指向被删除元素及之后所有元素的迭代器失效。需要重新赋值 | 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 |
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