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C++中的list的学习

news 2025/7/11 7:07:00

1.list的介绍及其使用

1.1list的介绍

list的文档介绍
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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

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1.2.2 list iterator的使用

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【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

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1.2.4 list element access

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1.2.5 list modifiers

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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;
};