【c++】探究C++中的list：精彩的接口与仿真实现解密

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专栏：c++笔记仓

朋友们大家好，本篇文章来到list有关部分，这一部分函数与前面的类似，我们简单讲解，重难点在模拟实现时的迭代器有关实现

目录

• `1.List介绍`
• `2.接口函数`
• • `operations`
  • `3.模拟实现`
  • • `3.1基本框架`
    • `3.2 list的基本函数`
    • `3.3迭代器的封装和实现`
    • • `++等重载函数的实现`
      • `与list的关联`
      • `3.4list函数完善`
      • `3.5迭代器进一步完善`
      • • `const迭代器`
        • `合并两种迭代器`

          1.List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）

          所以list本质就是我们的双向循环链表，我们接下来看它的接口函数

          2.接口函数

          构造函数

          这里的构造函数与vector类似

          1. Default constructor (构造一个空的 std::list):

          std::list myList1;  // 创建一个空的整型链表

          1. Fill constructor (构造一个有特定数量元素且每个元素都有相同初始值的 std::list):

          std::list myList2(5, 10); // 创建一个有5个元素的链表，每个元素都初始化为10

          1. Range constructor (从另一个迭代器定义范围的容器中构建 std::list):

          std::vector myVector{1, 2, 3, 4, 5};std::list myList3(myVector.begin(), myVector.end()); // 使用vector的范围来初始化链表

          1. Copy constructor (使用另一个 std::list 来构造一个新的 std::list, 是副本):

          std::list myOriginalList{1, 2, 3, 4, 5};std::list myList4(myOriginalList); // 使用另一个list来初始化这个新的list

          每个构造函数都有它们独特的用途，可以根据具体需要选择合适的构造函数进行对象的创建和初始化。

          • 默认构造函数创建一个没有任何元素的空链表。
          • 填充构造函数允许创建一个包含特定数量相同值的元素的链表。
          • 范围构造函数可以从任何提供迭代器接口的其他容器复制元素。
          • 拷贝构造函数创建了一个当前list的副本。

            填充构造函数前面的explicit关键字表明这个构造函数不能用于隐式转换或复制初始化，它需要直接调用来构造对象。其他构造函数则根据是否带有explicit关键字来决定是否能用于隐式转换或复制初始化

            迭代器

            迭代器用来遍历链表，下面是迭代器的简单使用

            list lt = { 10,20,30,40,50 };list::iterator i1 = lt.begin();while (i1 != lt.end()){cout cout int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };listl.erase(it);++it;}}int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };listl.erase(it++); // it = l.erase(it);}}1, 2, 3};std::list4, 5, 6};list1.splice(list1.end(), list2);  // 把list2的所有元素移动到list1的末尾1, 2, 3, 3, 4, 3, 5};myList.remove(3);  // 移除所有值为3的元素1, 2, 3, 4, 5};myList.remove_if([](int n){ return n % 2 == 0; });  // 移除myList中所有偶数元素1, 1, 2, 2, 2, 3, 4, 4, 5, 5};myList.unique();  // 移除相邻重复的元素，列表变为1, 2, 3, 4, 51, 3, 5};std::list2, 4, 6};list1.merge(list2);  // 合并两个列表为1, 2, 3, 4, 5, 64, 3, 5, 2, 1};myList.sort();  // 排序列表为1, 2, 3, 4, 51, 2, 3, 4, 5};myList.reverse();  // 反转后列表为5, 4, 3, 2, 1    template        ListNode}    };    template        typedef ListNode    ListNode}};    typedef ListNode    _head = new Node;    _head-_next = _head;    _head-_prev = _head;    _size = 0;}    Node* newnode = new Node(x);    Node* tail = _head-_prev;    tail-_next = newnode;    newnode-_prev = tail;    newnode-_next = _head;    _head->_prev = newnode;    _size++;}

            • 获取尾节点，即head的上一个位置
            • 更新四个指针即可

              那我们完成了尾插工作，接下来如何实现下面的遍历呢？

              void test1(){    list lt;    lt.push_back(1);    lt.push_back(2);    lt.push_back(3);    lt.push_back(4);    lt.push_front(6);    list::iterator it = lt.begin();    while (it != lt.end())    {        cout     typedef ListNode}};public:    // 这是一个嵌套类型的别名定义。    typedef ListIteratorpublic:      typedef ListIterator}    _node = _node-_next;    return *this;}    Self tmp(*this);    _node = _node-_next;    return tmp;}    _node = _node-_prev;    return *this;}Self operator--(int){    Self tmp(*this);    _node = _node->_prev;    return tmp;}

              operator*()

              这里解引用得到节点的值，需要我们自己手动重载实现：

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

              这里返回的是引用值，是对原数据可直接修改的

              operator!=()

              我们在循环中还有判断两个迭代器不相等，本质就是两个节点指针不相等

              bool operator!=(const Self& it){    return _node != it._node;}

              基本完成类的封装后，我们需要把它和list连起来

              与list的关联

              这里begin和end只能由list提供

              templateclass list {    typedef ListNode Node;public:    typedef ListIterator iterator;    iterator begin()    {        return iterator(_head->_next);//匿名对象    }    iterator end()    {        return iterator(_head);//最后一个位置的下一个位置    }    ''''''''''''''''''''''''''''''''''''    //其他函数    private:    Node* _head;    size_t _size;};

              begin返回第一个数据的迭代器，end返回最后一个数据的下一个位置

              测试代码：

              void test1(){    list 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())    {        cout     Node* cur = pos._node;//拿到这个位置的节点    Node* newnode = new Node(val);    Node* prev = cur-_prev;    prev-_next = newnode;    newnode-_prev = prev;    newnode->_next = cur;    cur->_prev = newnode;    _size++;}

              erase()

              iterator erase(iterator pos){    Node* cur = pos._node;    Node* prev = cur->_prev;    Node* next = cur->_next;    prev->_next = next;    next->_prev = prev;    delete cur;    --_size;    return iterator(next);}

              erase删除返回的是下一个位置的迭代器

              头尾删插

              有了insert和erase，我们这几个函数就可以直接进行复用

              void push_front(const T& x){    insert(begin(), x);}void push_back(const T& x){    insert(end(), x);}void pop_back(){    erase(--end());}void pop_front(){    erase(begin());}

              与size相关函数：

              size_t size()const{    return _size;}bool empty(){    return _size == 0;}

              链表销毁

              void clear(){    iterator it = begin();    while (it != end())    {        it = erase(it);    }}~list(){    clear();    delete _head;    _head = nullptr;}

              3.5迭代器进一步完善

              对于下面的这种类

               struct A {     int _a1;     int _a2;     A(int a1 = 0, int a2 = 0)         :_a1(a1)         , _a2(a2)     {} };

              如果list存的是上面的自定义类型呢？

              插入有以下几种方法：

              void test_list2(){    list lt;    A aa1(1, 1);    A aa2 = { 1, 1 };    lt.push_back(aa1);    lt.push_back(aa2);    lt.push_back(A(2, 2));    lt.push_back({ 3, 3 });    lt.push_back({ 4, 4 });  }

              上面代码使用不同方式来创建和插入 A 类型的对象到自定义的 list 容器中。下面是每种方式的详细说明以及它们所涉及的概念：

              1. 有名对象的直接插入:

                 A aa1(1, 1);lt.push_back(aa1);

                 这里，首先创建了一个命名对象 aa1，使用了 A 的构造函数 A(int a1, int a2) 并为其提供了两个参数。然后，你将 aa1 作为参数传递给 lt.push_back() 函数。在这种情况下，aa1 是有名对象（也就是说，它有一个名称），并且 push_back 函数接受到的是 aa1 的一个副本

              2. 多参数隐式类型转换:

                 A aa2 = { 1, 1 };lt.push_back(aa2);

                 aa2 通过列表初始化的方式被创建。这里的列表初始化允许直接用花括号 {} 来初始化对象。C++11 引入的列表初始化特性可以用来初始化任何对象，包括具有构造函数的对象。创建了 aa2 有名对象并将其插入到列表中

              3. 通过构造函数创建匿名对象并插入:

                 lt.push_back(A(2, 2));

                 在这里，没有给新创建的 A 对象一个名字，因此它是一个匿名对象（也称作临时对象）。这个匿名的 A 对象是通过调用它的构造函数来直接初始化的，并立即被传递到 push_back 函数中。

              4. 通过隐式类型转换创建匿名对象并插入:

                 lt.push_back({ 3, 3 });

                 与第三种方式类似，创隐式类型转换建了一个匿名的 A 对象，但这次是通过。初始化时没有使用相应类型的构造函数，而是依赖编译器生成的代码来创建一个具有给定初始化列表的对象，并将其传递给 push_back 函数。

              在所有这些情况中，实际插入到 list 容器中的都是 A

              现在我们来进行遍历：

              list::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){    cout    return &_node-_data;}

              p这里返回的是_data的地址/p p我们就可以这样访问：/p pre cout
            • 如果这个类型有一个 operator-> 的重载，编译器就调用 it.operator->()
            • it.operator->() 应该返回一个指向对象的指针，这个对象有一个我们尝试访问的 member 成员
            • 编译器取得这个指针，并继续访问 member

            这个流程只需要一个 -> 即可。编译器在背后处理了所有操作，直到访问到一个实际对象，然后这个对象的成员可以直接通过 -> 运算符访问

            因此，我们不需要手动写成 it->->member；只需写 it->member 即可。编译器会自动将其 “转换” 为 it.operator->()->member

            在 ListIterator 示例里，it->_a1 意味着：

            1. 调用 it.operator->() 拿到 ListNode 中 _data 成员的地址（这是一个 A 类型的对象）。
            2. 使用返回的指针来访问 A 对象的 _a1 成员。

            整个过程对于编程者来说是透明的，不需要编写多个 ->。这种处理方式使得重载 -> 可以更自然地使用，就像处理普通的指针一样。

            const迭代器

            我们上面写的迭代器对于const对象是无法编译成功的，const不能调用非const成员函数

            对于const类迭代器，我们需要在list类里面重新增加重载：

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

            使普通版本调用普通版本，const调用const版本

            这里的const迭代器不能是下面这种形式，而需单独创建版本：

            const iterator end() const{    return _head;}

            因为const迭代器的本质是迭代器指向的内容不能修改，而不是迭代器本身不能修改

            const iterator这样定义是迭代器不能修改，内容还是可以修改的

            那我们如何实现const迭代器呢？

            方法一：单独实现一个类，修改正常版本的迭代器

            templatestruct ConstListIterator{    typedef ListNode Node;    typedef ConstListIterator Self;    Node* _node;    ListIterator(Node* node)        :_node(node)    {}    const T* operator->()    {        return &_node->_data;    }    const T& operator*()    {        return _node->_data;    }    Self& operator++()    {        _node = _node->_next;        return *this;    }    Self operator++(int)    {        Self tmp(*this);        _node = _node->_next;        return tmp;    }    Self& operator--()    {        _node = _node->_prev;        return *this;    }    Self operator--(int)    {        Self tmp(*this);        _node = _node->_prev;        return tmp;    }        bool operator!=(const Self& it)    {        return _node != it._node;    }};

            我们目的是不修改指向的值，只需要在这两个函数前面加上const即可：

            const T* operator->(){    return &_node->_data;}const T& operator*(){    return _node->_data;}

            我们这两个类只有这两个函数不同，那么能不能将他们两个合并呢？

            合并两种迭代器

            这里仅是两种返回类型不同，这里我们利用模版来对这里内容进行合并

            templatestruct ListIterator{typedef ListNode Node;typedef ListIterator Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}// *it//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}// it->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;}};

            我们只提取不同的部分，其他部分与原来相同

            Ref代表引用，Ptr代表指针

            让我们来看一下这个合并后的迭代器的模板参数：

            • T：列表节点存储的数据类型
            • Ref：通过迭代器访问数据时的返回类型，可以是T&或者const T&。
            • Ptr：通过迭代器访问数据的指针类型，可以是T*或者const T*。

              这样，我们可以创建一个常量迭代器，为Ref和Ptr参数指定常量类型，例如：

              ListIterator const_iterator;

              对于非常量迭代器，就简单地传递非常量类型的引用和指针：

              ListIterator iterator;

              在list类中，我们需要相应地声明两种类型的迭代器：

              templateclass list {    // ... 省略其他代码 ...public:    typedef ListIterator iterator;    typedef ListIterator const_iterator;    // ... 省略其他代码 ...};

              list类中的其他成员函数像begin、end需要按照是否接收常量类型来适配这两种迭代器。