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前言1.list的介绍和使用1.1 list的介绍1.2 list的使用1.3 list的迭代器的失效 2.list的模拟实现2.1 结点的封装2.2 迭代器的封装2.2.1 正向迭代器2.2.2 反向迭代器 2.3 list功能的实现2.3.1 迭代器的实例化及begin()、end() 2.3.2 构造函数2.3.3 赋值运算符重载2.3.4 清除2.3.5 尾插2.3.6 任意位置插入2.3.7 删除任意位置元素2.3.8 头插2.3.9 头删、尾删 3. list与vector的对比4. 代码实现4.1 list.h4.2 reverse_iterator.h4.3 test.c 5.总结
前言
前面学习的string与vector都是线性结构，本节介绍的list是我们遇到的第一个链式结构，此部分的迭代器封装比较难以理解，希望大家都能学有所成，学有所获。
1.list的介绍和使用
1.1 list的介绍
list的介绍文档
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。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。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。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。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）
1.2 list的使用
#include <iostream>using namespace std;#include <list>#include <vector>// list的构造void TestList1(){ list<int> l1; // 构造空的l1 list<int> l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素 list<int> l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3 list<int> l4(l3); // 用l3拷贝构造l4 // 以数组为迭代器区间构造l5 int array[] = { 16,2,77,29 }; list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int)); // 列表格式初始化C++11 list<int> l6{ 1,2,3,4,5 }; // 用迭代器方式打印l5中的元素 list<int>::iterator it = l5.begin(); while (it != l5.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; // C++11范围for的方式遍历 for (auto& e : l5) cout << e << " "; cout << endl;}// list迭代器的使用// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围forvoid PrintList(const list<int>& l){ // 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象 for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it) { cout << *it << " "; // *it = 10; 编译不通过 } cout << endl;}void TestList2(){ 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 // list<int>::iterator it = l.begin(); // C++98中语法 auto it = l.begin(); // C++11之后推荐写法 while (it != l.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; // 使用反向迭代器逆向打印list中的元素 // list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin(); auto rit = l.rbegin(); while (rit != l.rend()) { cout << *rit << " "; ++rit; } cout << endl;}// list插入和删除// push_back/pop_back/push_front/pop_frontvoid TestList3(){ int array[] = { 1, 2, 3 }; list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0])); // 在list的尾部插入4，头部插入0 L.push_back(4); L.push_front(0); PrintList(L); // 删除list尾部节点和头部节点 L.pop_back(); L.pop_front(); PrintList(L);}// insert /erase void TestList4(){ int array1[] = { 1, 2, 3 }; list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0])); // 获取链表中第二个节点 auto pos = ++L.begin(); cout << *pos << endl; // 在pos前插入值为4的元素 L.insert(pos, 4); PrintList(L); // 在pos前插入5个值为5的元素 L.insert(pos, 5, 5); PrintList(L); // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素 vector<int> v{ 7, 8, 9 }; L.insert(pos, v.begin(), v.end()); PrintList(L); // 删除pos位置上的元素 L.erase(pos); PrintList(L); // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素 L.erase(L.begin(), L.end()); PrintList(L);}// resize/swap/clearvoid TestList5(){ // 用数组来构造list int array1[] = { 1, 2, 3 }; list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0])); PrintList(l1); // 交换l1和l2中的元素 list<int> l2; l1.swap(l2); PrintList(l1); PrintList(l2); // 将l2中的元素清空 l2.clear(); cout << l2.size() << endl;}1.3 list的迭代器的失效
前面说过，此处大家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 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
2.1 结点的封装
在 list 中存放的都是一个一个的节点,而一个节点又包含数据域以及指针域,因此需要对节点进行封装,便于存储到 list 中。
template <class T>struct list_node{T _data;struct list_node<T>* _next;struct list_node<T>* _prev;list_node(const T& x = T()):_data(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}};2.2 迭代器的封装
2.2.1 正向迭代器
因为 list 中迭代器的解引用以及 ++ 都无法像 vector 和 string 中那样使用，因此需要对迭代器进行封装实现这些功能。迭代器本质上也是在对节点进行运算，因此它的成员也是 Node*，参考 list::iterator it = lt.begin()，lt.begin()返回的就是一个节点的地址。
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):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this; }self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node; }};有一个点需要讲解一下的是 -> 的重载，它返回的是结点数据的指针，可能会有点看不懂，我们来看一个例子：
class AA{public:AA(int a1 = 0, int a2 = 0): _a1(a1), _a2(a2){}int _a1;int _a2;};void test_list5(){list<AA> lt;lt.push_back(AA(1, 1));lt.push_back(AA(2, 2));lt.push_back(AA(3, 3));list<AA>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << (*it)._a1 <<" " << (*it)._a2 <<endl;cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;//实际上应该是：it->->_a1 it->->_a2++it;}} ->重载返回的是一个指针，所以实际上应该是需要两个箭头，第一个箭头是重载的箭头，第二个用来对返回的地址进行解引用的，但是由于两个箭头观赏性不好，就规定写的时候只写一个箭头。
首先要说明的是模板参数，template <class T, class Ref, class Ptr>大家可以对这个会有所困惑，对于一个迭代器，有非const迭代器，那么肯定也就有const迭代器，如果像之前那么写自然是可以的，但是我们如果实现了一个非const迭代器后，如果还需要使用到const迭代器，那么我们就需要重新将所有功能再实现一遍。
template <class t>struct __list_const_iterator{typedef struct list_node<t> node;typedef __list_const_iterator<t> self;Node* _node;__list_const_iterator(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--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}};就像这样，我们需要将所有已经实现过的功能再实现一遍，仅仅只是添加了一些const，那么有没有什么方法可以解决这种问题呢？那就是我 上面所写的template <class T, class Ref, class Ptr>这种方式，它增加了两个模板参数，一个是指T类型的引用，一个是指T类型的指针。我们在使用时只需要进行实例化，就可以完美的避免上面这种繁琐的情况。
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;至于为什么需要三个模板参数，是分别对应其本身的值 、其引用和其地址三种情况的。还需要注意一下的是区分前置++和后置++，在对其前置++进行重载时()里是空的，后置++的（）里是写了int，也就是函数重载，通过对函数参数的不同来区分前置++和后置++。
2.2.2 反向迭代器
反向迭代器可以用正向迭代器来封装，
template<class iterator,class Ref,class Ptr>class Reverse_Iterator{public:typedef Reverse_Iterator Self;Reverse_Iterator(iterator it):_it(it){}Self& operator++(){--_it;return *this;}bool operator!=(const Self& it){return _it != it._it;}Ref operator*(){return *_it;}Ref operator->(){return _it.operator();}private:iterator _it;};2.3 list功能的实现
2.3.1 迭代器的实例化及begin()、end()
由于迭代器在类的外面也需要进行使用，因此在实例化时需要放到public中，而上面封装的迭代器可以理解为它只是个模板，在这实例化后才会有相应的迭代器。
template<class T>class list{// 只在类域里面使用，所以设置为私有，在 class 默认为私有，在 struct 中默认为公有typedef struct list_node<T> Node;public:// 在类域外面也需要使用，因此要放到 public 里面typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;typedef Reverse_Iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;typedef Reverse_Iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;reverse_iterator rbegin(){return --end();}reverse_iterator rend(){return end();}const_iterator begin()const{return _head->_next;}const_iterator end()const{return _head;}iterator begin(){return _head->_next;}iterator end(){return _head;}2.3.2 构造函数
list的底层是双向循环链表，包含一个数据域和两个指针域。
void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}}2.3.3 赋值运算符重载
这样实现的原理与vector中的赋值运算符重载一模一样，不懂的小伙伴可以去上一篇文章中进行详细阅读。
void swap(const list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}2.3.4 清除
从头到尾一个一个进行删除就可以了。
void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}2.3.5 尾插
后续部分的内容与前面的双向循环链表中的一样，如果不明白具体过程的小伙伴可以进行跳转链接观看，在双向循环链表中有详细图解。
void push_back(const T& x){//Node* newnode = new Node(x);//Node* tail = _head->_prev;//_head->_prev = newnode;//newnode->_next = _head;//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;insert(end(), x);}2.3.6 任意位置插入
iterator insert(iterator pos, const T& val){Node* newnode = new Node(val);Node* prev = pos._node->_prev;// prev newnode pos._node <------ 三个结点的位置关系newnode->_next = pos._node;pos._node->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;_size++;return iterator(newnode);}2.3.7 删除任意位置元素
iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next ->_prev = prev;_size--;return iterator(next);}2.3.8 头插
直接复用插入即可。
void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}2.3.9 头删、尾删
需要注意的是end()指向的是最后一个元素的下一个位置，因此删除时要先–end()。
void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}3. list与vector的对比
4. 代码实现
4.1 list.h
#pragma once#include<iostream>#include"reverse_iterator.h"using namespace std;namespace WY{//在 list_node<T> 中加<T>可以理解为 list_node 是一个类，比如之前模拟实现的 vector,在使用时都会写成 vector<T>,目前就可以近似的这么理解//在 list 中存放的都是一个一个的节点,而一个节点又包含数据域以及指针域,因此需要对节点进行封装,便于存储到 list 中template <class T>struct list_node{T _data;struct list_node<T>* _next;struct list_node<T>* _prev;list_node(const T& x = T()):_data(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}};// 因为 list 中迭代器的解引用以及 ++ 都无法像 vector 和 string 中那样使用,因此需要对迭代器进行封装实现这些功能// 迭代器本质上也是在对节点进行运算，因此它的成员也是 Node*,参考 list<int>::iterator it = lt.begin(),lt.begin()返回的就是一个节点的地址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):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this; }self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node; }};/*template <class t>struct __list_const_iterator{typedef struct list_node<t> node;typedef __list_const_iterator<t> self;node* _node;__list_const_iterator(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--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}};*/template<class T>class list{// 只在类域里面使用，所以设置为私有，在 class 默认为私有，在 struct 中默认为公有typedef struct list_node<T> Node;public:// 在类域外面也需要使用，因此要放到 public 里面typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;typedef Reverse_Iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;typedef Reverse_Iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;reverse_iterator rbegin(){return --end();}reverse_iterator rend(){return end();}const_iterator begin()const{return _head->_next;}const_iterator end()const{return _head;}iterator begin(){return _head->_next;}iterator end(){return _head;}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}}lt2 = lt1//list<T>& operator=(const list<T>& lt)//{//if (lt != *this)//{//clear();//for (auto e : lt)//{//push_back(e);//}//}//return *this;//}void swap(const list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}void push_back(const T& x){//Node* newnode = new Node(x);//Node* tail = _head->_prev;//_head->_prev = newnode;//newnode->_next = _head;//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}iterator insert(iterator pos, const T& val){Node* newnode = new Node(val);Node* prev = pos._node->_prev;// prev newnode pos._nodenewnode->_next = pos._node;pos._node->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;_size++;return iterator(newnode);}iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next ->_prev = prev;_size--;return iterator(next);}private:Node* _head;size_t _size;}; void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}//void Print_list(const list<int>& lt)//{//list<int>::const_iterator it = lt.begin();//while (it != lt.end())//{//cout << *it << " ";//++it;//}//cout << endl;//}//template<typename T>//void Print_list(const list<T>& lt)//{//// 加 typename 的原因：编译器在编译时只会对实例化的模板进行编译，而这里的 list<T> 并没有被实例化，参数里的 list<T> 在进行传参时会被实例化//// 而函数体内的并没有进行实例化，所以在编译时编译器无法识别 const_iterator 是内嵌类型还是静态成员变量，所以在编译是会报错//// 而加了 typename，会让编译器跳过这个检查阶段，我目前的理解是在用 lt.begin() 对 it 进行赋值时才会对前面的 list<T> 进行实例化（待查证）//typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();//while (it != lt.end())//{//cout << *it << " ";//++it;//}//cout << endl;//}template<typename Container>void Print_container(const Container& con){typename Container::const_iterator it = con.begin();while (it != con.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list2(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);//Print_list(lt);Print_container(lt);}void test_list3(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);list<int>::reverse_iterator it = lt.rbegin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;Print_container(lt);}void test_list4(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;}}4.2 reverse_iterator.h
这部分是反向迭代器的封装。
#pragma oncetemplate<class iterator,class Ref,class Ptr>class Reverse_Iterator{public:typedef Reverse_Iterator Self;Reverse_Iterator(iterator it):_it(it){}Self& operator++(){--_it;return *this;}bool operator!=(const Self& it){return _it != it._it;}Ref operator*(){return *_it;}Ref operator->(){return _it.operator();}private:iterator _it;};4.3 test.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include"list.h"int main(){//WY::test_list1();//WY::test_list2();//WY::test_list3();WY::test_list4();return 0;}5.总结
list有关迭代器的封装比较困难复杂，它这个封装一层套一层，所以较难理解，可能有的地方 我表达的不是很清楚，大家可以多加阅读以及结合相关部分的文章进理解。并且如果有难以理解的地方，可以私信我，我看到之后会帮助大家解决问题，希望能与大家共同进步。
如果大家发现有什么错误的地方或者有什么问题，可以私信或者评论区指出喔。我会继续深入学习C++，希望能与大家共同进步，那么本期就到此结束，让我们下期再见！！觉得不错可以点个赞以示鼓励！！