【C++初階學習】C++list的使用及模擬
- 零、前言
- 一、什么是list
- 二、list的常用介面說明
- 1、list物件常用構造
- 2、list物件屬性及迭代器使用
- 3、list物件修改操作
- 4、list迭代器失效問題
- 三、list剖析和模擬實作
- 1、list迭代器封裝和節點類
- 2、list常用介面實作
- 3、list和vector對比
零、前言
本章主要講解C++中的容器list的使用以及模擬實作
一、什么是list
- list的介紹：
list的底層是雙向鏈表結構，雙向鏈表中每個元素存盤在互不相關的獨立節點中，在節點中通過指標指向其前一個元素和后一個元素
list與forward_list(單鏈表)的操作非常相似，但單鏈表只能朝前迭代
- 優劣：
list是可以在常數范圍內在任意位置進行插入和洗掉的序列式容器，并且該容器可以前后雙向迭代
對于鏈表與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隨機訪問（不是連續開辟的動態空間）
- 示圖：
二、list的常用介面說明
注：以下為list中一些常見的重要介面
1、list物件常用構造
| 建構式（ (constructor)） | 介面說明 |
|---|---|
| list() | 構造空的list |
| list (size_type n, const value_type& val = value_type()) | 構造的list中包含n個值為val的元素 |
| list (const list& x) | 拷貝建構式 |
| list (InputIterator first, InputIterator last) | 用[first, last)區間中的元素構造list |
- 使用示例：
void test_list1()
{
list<int> l1; // 構造空的l1
list<int> l2(4, 100); // l2中放4個值為100的元素
list<int> l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左閉右開的區間構
list<int> l4(l3); // 用l3拷貝構造l4
// 以陣列為迭代器區間構造l5
int array[] = { 16,2,77,29 };
list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
// 用迭代器方式列印list中的元素
for (list<int>::iterator it = l2.begin(); it != l2.end(); it++)
cout << *it << " ";
cout << endl;
for (list<int>::iterator it = l4.begin(); it != l4.end(); it++)
cout << *it << " ";
cout << endl;
// C++11范圍for的方式遍歷
for (auto& e : l5)
cout << e << " ";
cout << endl;
}
- 結果：
2、list物件屬性及迭代器使用
| 函式宣告 | 介面說明 |
|---|---|
| empty | 檢測list是否為空，是回傳true，否則回傳false |
| size | 回傳list中有效節點的個數 |
| front | 回傳list的第一個節點中值的參考 |
| back | 回傳list的最后一個節點中值的參考 |
| begin+end | 回傳第一個元素的迭代器+回傳最后一個元素下一個位置的迭代器 |
| rbegin+rend | 回傳第一個元素的reverse_iterator,即end位置，回傳最后一個元素下一個位置的 reverse_iterator,即begin位置 |
- 迭代器示圖：
- 注意：
begin與end為正向迭代器，對迭代器執行**++**操作，迭代器向后移動
**rbegin(end)與rend(begin)為反向迭代器，對迭代器執行++**操作，迭代器向前移動
list的迭代器并不是原生指標，而是經過封裝的指標（后續模擬會提及）
- 使用示例：
void print_list(const list<int>& l)
{
// 注意這里呼叫的是list的 begin() const，回傳list的const_iterator物件
for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
{
cout << *it << " ";
// *it = 10; 編譯不通過(const迭代器不能修改指向內容)
}
cout << endl;
}
void test_list2()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 使用正向迭代器正向list中的元素
for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
cout << *it << " ";
cout << endl;
// 使用反向迭代器逆向列印list中的元素
for (list<int>::reverse_iterator it = l.rbegin(); it != l.rend(); ++it)
cout << *it << " ";
cout << endl;
cout << l.size() << endl;
cout << l.empty() << endl;
cout << l.front() << endl;
cout << l.back() << endl;
}
- 結果：
3、list物件修改操作
| 函式宣告 | 介面說明 |
|---|---|
| push_front | 在list首元素前插入值為val的元素 |
| pop_front | 洗掉list中第一個元素 |
| push_back | 在list尾部插入值為val的元素 |
| pop_back | 洗掉list中最后一個元素 |
| insert | 在list position 位置中插入值為val的元素 |
| erase | 洗掉list position位置的元素 |
| swap | 交換兩個list中的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |
- 使用示例：
void PrintList(list<int>& l)
{
for (auto& e : l)
cout << e << " ";
cout << endl;
}
void test_list3()
{
//push_back/pop_back/push_front/pop_front
int array[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 在list的尾部插入4，頭部插入0
L.push_back(4);
L.push_front(0);
PrintList(L);
// 洗掉list尾部節點和頭部節點
L.pop_back();
L.pop_front();
PrintList(L);
//insert/erase
int array1[] = { 4,5,6 };
list<int> L1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
// 獲取鏈表中第二個節點
auto pos = ++L1.begin();
cout << *pos << endl;
// 在pos前插入值為4的元素
L1.insert(pos, 4);
PrintList(L1);
// 在pos前插入5個值為5的元素
L1.insert(pos, 5, 5);
PrintList(L1);
// 在pos前插入[v.begin(), v.end)區間中的元素
vector<int> v{ 7, 8, 9 };
L1.insert(pos, v.begin(), v.end());
PrintList(L1);
// 洗掉pos位置上的元素
L1.erase(pos);
PrintList(L1);
// 洗掉list中[begin, end)區間中的元素，即洗掉list中的所有元素
L1.erase(L1.begin(), L1.end());
PrintList(L1);
//resize/swap/clear
// 用陣列來構造list
int array2[] = { 7,8,9 };
list<int> l2(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
PrintList(l2);
// 交換l1和l2中的元素
L1.swap(l2);
PrintList(L1);
PrintList(l2);
// 將l2中的元素清空
l2.clear();
cout << l2.size() << endl;
}
- 結果：
4、list迭代器失效問題
list的底層結構為帶頭結點的雙向回圈鏈表，因此在list中進行插入時是不會導致list的迭代器失效的，只有在洗掉時才會失效，并且失效的只是指向被洗掉節點的迭代器，其他迭代器不會受到影響
- 示例：
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()函式執行后，it所指向的節點已被洗掉，因此it無效，在下一次使用it時，必須先給其賦值
l.erase(it);
++it;
}
PrintList(l);
}
// 改正
void TestListIterator2()
{
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);
}
PrintList(l);
}
void TestListIterator3()
{
int array[] = { 1, 2, 3 };
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
//insert后it迭代器的意義不會改變
l.insert(it,4);
++it;
}
PrintList(l);
}
- 結果：
三、list剖析和模擬實作
1、list迭代器封裝和節點類
- 迭代器有兩種實作方式，具體應根據容器底層資料結構實作：
原生態指標，比如：vector，string
將原生態指標進行封裝，因迭代器使用形式與指標完全相同（使用多載進行封裝指標，達到迭代器的效果）
- 封裝方法：
指標可以解參考，迭代器的類中必須多載operator*()
指標可以通過->訪問其所指空間成員，迭代器類中必須多載oprator->()
指標可以++向后移動，迭代器類中必須多載operator++()與operator++(int)至于operator–()/operator–(int)釋放需要多載，根據具體的結構來抉擇，雙向鏈表可以向前移動，所以需要多載，如果是forward_list就不需要多載–
迭代器需要進行是否相等的比較，因此還需要多載operator==()與operator!=()
- 實作代碼：
// List的節點類
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
:_val(val)
,_pPre(nullptr)
,_pNext(nullptr)
{}
//成員變數
ListNode<T>* _pPre;
ListNode<T>* _pNext;
T _val;
};
//List的迭代器類(Ref(T&),Ptr(T*))
//(封裝迭代器，使原生指標能執行迭代器基本操作)
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T>* PNode;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
ListIterator(PNode pNode = nullptr)
:_pNode(pNode)
{}
Ref operator*()
{
return _pNode->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &_pNode->_val;
}
Self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_pNext;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self tmp(_pNode);
_pNode = _pNode->_pNext;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
_pNode = _pNode->_pPre;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self tmp(_pNode);
_pNode = _pNode->_pPre;
return tmp;
}
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _pNode != l._pNode;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _pNode == l._pNode;
}
PNode _pNode;
};
注：這里的節點類和迭代器類，我們希望能直接被list類訪問使用，使用struct默認訪問限定型別為public
2、list常用介面實作
- 實作代碼：
//list類
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef Node* PNode;
public:
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
// List的構造
list()
:_pHead(new Node)//構建哨兵節點
{
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
}
list(int n, const T& value = T())
{
_pHead = new Node;
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
_pHead = new Node;
while(first!=last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list<T>& l)
{
_pHead = new Node;
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
const_iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
push_back(*it);
++it;
}
}
list<T>& operator=(list<T> l)//現代式
{
swap(_pHead, l._pHead);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _pHead;
_pHead = nullptr;
}
// List Iterator
iterator begin()
{
return iterator(_pHead->_pNext);//迭代器封裝指標
}
iterator end()
{
return iterator(_pHead);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_pHead->_pNext);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_pHead);
}
// List Capacity
size_t size()const
{
size_t sz = 0;
iterator it = begin();
while (it != end())
{
++it;
++sz;
}
return sz;
}
bool empty()const
{
return begin() == end();
}
// List Access
T& front()
{
assert(!empty());
return _pHead->_pNext->_val;
}
const T& front()const
{
assert(!empty());
return _pHead->_pNext->_val;
}
T& back()
{
assert(!empty());
return _pHead->_pPre->_val;
}
const T& back()const
{
assert(!empty());
return _pHead->_pPre->_val;
}
// List Modify
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
// 在pos位置前插入值為val的節點
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos._pNode);
PNode cur = pos._pNode;
PNode pre = cur->_pPre;
PNode newnode = new Node(val);
newnode->_pNext = cur;
cur->_pPre = newnode;
pre->_pNext = newnode;
newnode->_pPre = pre;
return iterator(newnode);
}
// 洗掉pos位置的節點，回傳該節點的下一個位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos._pNode);
assert(pos!=end());
PNode pre = pos._pNode->_pPre;
PNode next = pos._pNode->_pNext;
pre->_pNext = next;
next->_pPre = pre;
delete pos._pNode;
return iterator(next);
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
private:
PNode _pHead;
};
3、list和vector對比
vector與list都是STL中非常重要的序列式容器，由于兩個容器的底層結構不同，導致其特性以及應用場景不同
- 對比展示：
轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qita/401640.html
標籤：其他