1. list的介绍及使用

  1.1 list的介绍

list的文档介绍

  1.2 list的特点

list是C++标准模板库(STL)中的一个双向链表容器。以下是其主要特点：

  基本特性

• 双向链表结构：每个元素包含指向前驱和后继节点的指针

• 非连续存储：元素在内存中不是连续存储的

• 动态大小：可以根据需要动态增长或缩小

  主要优点

1. 高效的插入和删除：

   1. 在任何位置插入/删除元素的时间复杂度都是O(1)

   2. 

      特别适合频繁在中间位置进行插入/删除操作的场景

2. 不失效的迭代器：

   1. 插入操作不会使现有迭代器失效

   2. 只有删除操作会使指向被删除元素的迭代器失效

  主要缺点

• 随机访问性能差：访问第n个元素需要O(n)时间

• 内存开销较大：每个元素需要额外存储前后指针

1.3 list的使用

  1.3.1 listt的构造

构造函数(constructor)	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

  1.3.2 list iterator的使用

list的迭代器可以看做是一个指针，指针指向list中的某个节点

函数声明	接口说明
begin + end	返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器
rbegin + rend	返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置，返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator,即begin位置

  【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. rbegin(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

  1.3.3 list capacity

函数声明	接口说明
empty	检测list是否为空，是返回true，否则返回false
size	返回list中有效节点的个数

  1.3.4 list element access

函数声明	接口说明
front	返回list的第一个节点中值的引用
back	返回list的最后一个节点中值的引用

  1.3.5 list modifiers

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

  1.3.6 list迭代器失效

  list 迭代器失效的情况

1. 元素被删除时：

   1. 指向被删除元素的迭代器会失效

   2. 其他迭代器仍然有效

2. 整个 list 被销毁或清空时：

   1. 所有迭代器都会失效

3. 使用 splice 转移元素时：

   1. 被转移元素的迭代器仍然有效，只是现在指向新容器中的元素

  list 迭代器不会失效的情况

1. 插入新元素：

   1. 在任何位置插入元素都不会使任何迭代器失效

2. 合并 lists：

   1. 使用 merge 或 splice 合并 lists 不会使迭代器失效

示例代

#include <iostream>
#include <list>

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; 
    } 
} 

// 改正 
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); 
    } 
}

2. list的模拟实现

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>

namespace List
{
    template<class T>
    class ListNode
    {
    public:
        T _data;
        ListNode<T>* _prev;
        ListNode<T>* _next;

        ListNode(const T& data = T())
            :_data(data), _prev(nullptr), _next(nullptr)
        {
        }
    };

    template<class T>
    struct ListIterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T> Self;

        Node* _node;

        ListIterator(Node* node) : _node(node) {}
        ListIterator() : _node(nullptr) {}

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

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

        Self& operator--()
        {
            _node = _node->_prev;
            return *this;
        }
        Self operator--(int)
        {
            Self tmp = *this;
            --(*this);
            return tmp;
        }

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

    template<class T>
    class list
    {
    public:
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T> iterator;
        typedef ListIterator<const T> const_iterator;

        // 构造 / 析构
        list() :_head(new Node()), _size(0)
        {
            _head->_next = _head->_prev = _head;
        }

        list(const list& x) : list() // 委托构造
        {
            for (const auto& val : x) push_back(val);
        }

        list& operator=(const list& x)
        {
            if (this != &x)
            {
                list tmp(x);
                swap(tmp);
            }
            return *this;
        }

        ~list()
        {
            clear();
            delete _head;
            _head = nullptr;
        }

        void clear()
        {
            Node* cur = _head->_next;
            while (cur != _head)
            {
                Node* next = cur->_next;
                delete cur;
                cur = next;
            }
            _head->_next = _head->_prev = _head;
            _size = 0;
        }

        void swap(list& x)
        {
            std::swap(_head, x._head);
            std::swap(_size, x._size);
        }

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

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

        // 反向迭代器
        iterator rbegin() { return _head->_prev; }
        iterator rend() { return _head; }

        // 插入
        iterator insert(iterator pos, const T& val)
        {
            Node* cur = pos._node;
            Node* prev = cur->_prev;
            Node* newnode = new Node(val);

            newnode->_prev = prev;
            newnode->_next = cur;
            prev->_next = newnode;
            cur->_prev = newnode;

            ++_size;
            return iterator(newnode);
        }

        void insert(iterator pos, size_t n, const T& val)
        {
            size_t count = 0;
            Node* cur = pos._node->_prev;
            Node* next = cur->_next;
            while (n--)
            {
                Node* newnode = new Node(val);
                cur->_next = newnode;
                newnode->_prev = cur;
                cur = newnode;
                ++count;
            }
            cur->_next = next;
            next->_prev = cur;
            _size += count;
        }

        // push / pop
        void push_back(const T& val) { insert(end(), val); }
        void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }

        void pop_back() { if (!empty()) erase(--end()); }
        void pop_front() { if (!empty()) erase(begin()); }

        // front / back
        T& front() { assert(!empty()); return _head->_next->_data; }
        T& back() { assert(!empty()); return _head->_prev->_data; }
        const T& front() const { assert(!empty()); return _head->_next->_data; }
        const T& back() const { assert(!empty()); return _head->_prev->_data; }

        // 删除
        iterator erase(iterator pos)
        {
            assert(pos._node != _head);
            Node* cur = pos._node;
            Node* next = cur->_next;
            Node* prev = cur->_prev;

            prev->_next = next;
            next->_prev = prev;

            delete cur;
            --_size;

            return iterator(next);
        }

        iterator erase(iterator first, iterator last)
        {
            if (first == last) return last;

            Node* first_node = first._node;
            Node* last_node = last._node->_prev;

            Node* before_first = first_node->_prev;
            Node* after_last = last_node->_next;

            before_first->_next = after_last;
            after_last->_prev = before_first;

            Node* cur = first_node;
            while (cur != after_last)
            {
                Node* next_node = cur->_next;
                delete cur;
                cur = next_node;
                --_size;
            }

            return iterator(after_last);
        }

    private:
        Node* _head;
        size_t _size = 0;
    };
}

3. list与vector的对比

	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，增容：开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间，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	在插入元素时，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，删除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效	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