C++中的list的学习
1.list的介绍及其使用
1.1list的介绍
list的文档介绍
这张图展示了 C++ 标准库中 list 的底层结构和关键概念,重点体现了 list(双向循环链表)的工作原理。以下是逐部分的详细解析:
- 核心结构:双向循环链表
list 是基于 环状双向链表(circular doubly-linked list) 实现的,特点:
- 每个节点有 前驱指针(指向前一个节点)和 后继指针(指向后一个节点)。
- 链表首尾相连,形成一个环(end() 不指向 nullptr,而是指向一个 “哨兵节点”)。
- 关键组件解析
(1) list<int> list;
- 定义了一个存储 int 类型的 list 对象 ilist,底层是双向循环链表。
(2) 哨兵节点(_M_node 所指节点)
- 图中红色方框标记的是 哨兵节点(sentinel node),它是一个 “虚拟节点”,不存储实际数据。
- 作用:统一链表操作(首尾插入 / 删除无需判断边界),让 begin() 和 end() 逻辑更简洁。
(3) 迭代器与范围
- ilist.begin():返回指向第一个数据节点(蓝色方框,值为 0)的迭代器。
- ilist.end():返回指向哨兵节点的迭代器(不指向有效数据,标志遍历结束)。
- find(ilist.begin(), ilist.end(), 3):从第一个数据节点开始遍历,查找值为 3 的节点,返回其迭代器
ite。
- 节点与指针关系
每个节点包含:
- 数据域:存储实际值(如 0、2、3、4)。
- 前驱指针:指向前一个节点(图中箭头反向)。
- 后继指针:指向后一个节点(图中箭头正向)。
- 遍历逻辑
- 正向遍历:从 begin()(值 0)出发,通过 “后继指针” 依次访问 0 → 2 → 3 → 4,直到 end()(哨兵节点)。
- 逆向遍历:从 rbegin()(内部基于 “前驱指针” 实现)出发,可反向访问 4 → 3 → 2 → 0。
总结
这张图清晰展示了 list 的 双向循环链表本质,核心是:
- 用哨兵节点简化边界操作。
- 用双向指针支持高效插入 / 删除。
- 迭代器遍历需从 begin() 到 end()(哨兵节点)终止。
1.2list的使用
list中的接口比较多,只需要掌握如何正确的使用,然后再去深入研究背后的原理,已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口。
1.2.1 list的构造
1.2.2 list iterator的使用
【注意】
- begin与end为正向迭代器,对迭代器执行++操作,迭代器向后移动
- 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
1.2.3 list capacity
1.2.4 list element access
1.2.5 list modifiers
1.2.6 list的迭代器失效
此处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
2.1list的实现
#include <memory>
#include <iterator>
#include <stdexcept>template<typename T>
class List {
private:// 节点结构struct Node {T data;Node* prev;Node* next;Node(const T& value = T()) : data(value), prev(nullptr), next(nullptr) {}};Node* head; // 头节点(哨兵)Node* tail; // 尾节点(哨兵)size_t m_size;public:// 迭代器实现class iterator {private:Node* ptr;public:iterator(Node* p = nullptr) : ptr(p) {}T& operator*() { return ptr->data; }iterator& operator++() { ptr = ptr->next; return *this; }iterator operator++(int) { iterator tmp = *this; ++(*this); return tmp; }iterator& operator--() { ptr = ptr->prev; return *this; }iterator operator--(int) { iterator tmp = *this; --(*this); return tmp; }bool operator==(const iterator& other) const { return ptr == other.ptr; }bool operator!=(const iterator& other) const { return ptr != other.ptr; }};// 构造函数List() : m_size(0) {head = new Node();tail = new Node();head->next = tail;tail->prev = head;}// 析构函数~List() {clear();delete head;delete tail;}// 容量bool empty() const { return m_size == 0; }size_t size() const { return m_size; }// 迭代器iterator begin() { return iterator(head->next); }iterator end() { return iterator(tail); }// 修改操作void push_back(const T& value) {insert(end(), value);}void pop_back() {if (!empty()) {erase(--end());}}iterator insert(iterator pos, const T& value) {Node* p = pos.ptr;Node* newNode = new Node(value);newNode->prev = p->prev;newNode->next = p;p->prev->next = newNode;p->prev = newNode;++m_size;return iterator(newNode);}iterator erase(iterator pos) {if (pos == end()) return pos;Node* toDelete = pos.ptr;iterator nextNode(toDelete->next);toDelete->prev->next = toDelete->next;toDelete->next->prev = toDelete->prev;delete toDelete;--m_size;return nextNode;}void clear() {while (!empty()) {pop_back();}}
};
2.2list的反向迭代器
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。
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{// 注意:此处typename的作用是明确告诉编译器,Ref是Iterator类中的类型,而不是静态成员变量// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public://////////////////////////////////////////////// 构造ReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {}//////////////////////////////////////////////// 具有指针类似行为Ref operator*() {Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->() { return &(operator*()); }//////////////////////////////////////////////// 迭代器支持移动Self& operator++() {--_it;return *this;}Self operator++(int) {Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--() {++_it;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);++_it;return temp;}//////////////////////////////////////////////// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const { return _it != l._it; }bool operator==(const Self& l)const { return _it != l._it; }Iterator _it;
};
3. list与vector的对比
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: