C++數據結構之list詳解
前言
list相較於vector來說會顯得復雜，它的好處是在任意位置插入,刪除都是一個O(1)的時間復雜度。
一、list的節點
template <class T>
struct __list_node {
typedef void* void_pointer;
void_pointer next;
void_pointer prev;
T data;
};
這個是在stl3.0版本下的list的節點的定義，節點裡面有一個前指針，一個後指針，有一個數據data。這裡隻能知道他是一個雙向鏈表，我們可以再稍微看一下list關於它的構造函數。
class list --> list() { empty_initialize();
void empty_initialize() {
node = get_node();
node->next = node;
node->prev = node;
}
再看一下它的list(),可以看出他調用的empty_initialize（），是創建瞭一個頭結點，並且是一個循環的結構。
綜上：list的總體結構是一個帶頭循環雙向鏈表
二、list的迭代器
迭代器通常是怎麼使用的，看一下下面這段代碼。
int main()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
l.push_back(4);
l.push_back(5);
l.push_back(6);
list<int>::iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
return 0;
}
- 我們從list< int >當中定義一個iterator對象，然後讓他去訪問我們的節點
- 並且他所支持的操作有++，解引用，當然還有 –等等
stl3.0當中的迭代器實現：
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
typedef T value_type;
typedef Ptr pointer;
typedef Ref reference;
typedef __list_node<T>* link_type;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
link_type node;
__list_iterator(link_type x) : node(x) {}
__list_iterator() {}
__list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}
bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
reference operator*() const { return (*node).data; }
#ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR
pointer operator->() const { return &(operator*()); }
#endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */
self& operator++() {
node = (link_type)((*node).next);
return *this;
}
self operator++(int) {
self tmp = *this;
++*this;
return tmp;
}
self& operator--() {
node = (link_type)((*node).prev);
return *this;
}
self operator--(int) {
self tmp = *this;
--*this;
return tmp;
}
大傢感興趣可以先看看上面的，我們先用一個簡述版的來帶大傢簡要實現一下
template<class T>
class __list_node
{
public:
__list_node(const T& val = T())//用一個全缺省比較好
:_next(nullptr)
,_pre(nullptr)
,node(val)
{}
public:
__list_node<T>* _next;
__list_node<T>* _pre;
T node;
};
template<class T>
class __list_itertaor//這裡是迭代器
{
public:
typedef __list_node<T> Node;
__list_itertaor(Node* node)
{
_node = node;
}
bool operator!=(const __list_itertaor<T>& it)
{
return _node != it._node;
}
__list_itertaor<T>& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
T& operator*()
{
return _node->node;
}
private:
Node* _node;
};
這裡的實現是不完整的，但是很適合說明問題。通過我們去重載opertaor++，和重載opertaor*，可以讓我們像指針一樣去訪問一個節點，讓我們可以跟vector和string一樣用同樣的接口就能實現對數據的訪問，這是非常厲害的一個技術。
註意點：
- 我們通過對節點的操作，重載瞭operator++等接口實現瞭對一個節點的訪問，訪問的時候實際上也就是創建迭代器對象，對我們的數據進行訪問，所以我們封裝的時候是將節點的指針進行封裝。
- list相比vector，正因為他們的底層結構不相同，list的迭代器在插入操作和接合操作（splice）
都不會造成迭代器失效，隻有刪除的時候，隻有那個被刪除元素的迭代器失效，而不影響後面的，而vector就統統失效瞭。
模板參數為什麼是三個
2.1 const 迭代器
有這樣一種情況，我們需要const對象去遍歷，假如我們有個函數叫做print_list（const list< int >& lt）;
傳參： 其中傳參中const是因為不會對對象進行修改，加引用是因為不用深拷貝，提高效率。
功能： 這個函數就是去打印鏈表裡面的內容的。但是按照我們上面的實現，會出現什麼問題呢。
這很正常，在const迭代器就去生成const迭代器對象，在vector，string這些迭代器就是原生指針的時候我們隻需要typedef const T* const_iterator,那如果我們在我們生成的list也做類似的操作，來看看結果。
結果我們發現，好像沒多大問題，但是我們嘗試修改const迭代器裡面的內容時，卻發現能修改成功。const迭代器怎麼能修改裡面的數據呢？這就有問題瞭！！！說明我們的有一個巨大的隱患在裡面。
2.2 修改方法
最簡單的方法當然就是再寫多一個迭代器，把__list_iterator換成__list_const_iterator 之類的，但是我們認真觀察的話，實際上這兩個類很多東西是重復的，隻有在operator*，operator->時所需要的返回值，我們需要找到一種方法去讓const對象的返回值也是const對象，答案就是添加多兩個個模板參數。
以下以添加一個模板參數為例，實現一個Ref operator*()；
template<class T>
class __list_node
{
public:
__list_node(const T& val = T())//用一個全缺省比較好
:_next(nullptr)
,_pre(nullptr)
,node(val)
{}
public:
__list_node<T>* _next;
__list_node<T>* _pre;
T node;
};
template<class T,class Ref>
class __list_itertaor
{
public:
typedef __list_node<T> Node;
__list_itertaor(Node* node)
{
_node = node;
}
bool operator!=(const __list_itertaor<T,Ref>& it)
{
return _node != it._node;
}
__list_itertaor<T,Ref>& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Ref operator*()//返回Ref，返回值就有區別啦
{
return _node->node;
}
private:
Node* _node;
};
template<class T>
class list
{
typedef __list_node<T> Node;
public:
typedef __list_itertaor<T,T&> iterator;
typedef __list_itertaor<T, const T&> const_iterator;//修改
iterator begin()
{
return iterator(_node->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_node);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_node->_next);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_node);
}
list()
{
_node = new Node;
_node->_next = _node;
_node->_pre = _node;
}
void push_back(const T& val)
{
Node* newnode = new Node(val);
Node* tail = _node->_pre;
tail->_next = newnode;
newnode->_pre = tail;
newnode->_next = _node;
_node->_pre = newnode;
}
private:
Node* _node;
};
一圖瞭解：也就是我們的測試端test函數中定義list< int >::const_iterator cit= l.begin();的時候迭代器對象就會識別到定義的const迭代器，它的第二個模板參數放的就是const T&，這樣子我們operator*（）返回的時候隻需要返回第二個模板參數就可以瞭。
同理，我們要用到的接口operator->當中也會有const對象和普通對象調用的情況。我們這裡把實現的代碼放出來，有需要的自取。
–》碼雲鏈接《–
二、美中不足
list上面說的仿佛都是優點
任意位置的O(1)時間的插入刪除，迭代器失效的問題變少瞭。但他又有哪些不足呢
- 不支持隨機訪問
- 排序的效率慢，庫中的sort用的是歸並排序–>快排需要三數取中，對於鏈表來說實現出來效率也低，所以當鏈表的元素需要進行排序的時候，我們通常也都會拷貝到vector當中，再用vector當中的排序。
- 同理鏈表的逆置效率也不高！
三、迭代器的分類
迭代器從功能角度來看的話分為：const迭代器/普通迭代器 + 正反向。
從容器底層結構角度分為：單向，雙向，隨機。
- 單向： 單鏈表迭代器（forward_list）/哈希表迭代器；這些隻支持單向++；
- 雙向： 雙鏈表迭代器/map迭代器；這些支持的++/- -操作；
- 隨機迭代器： string/vector/deque；這些是支持++/- -/+/-操作的，類似原生指針一般。
我們來看一下部分函數的，比如sort當中的模板參數寫成RandomAccessIterator，就是想要明示使用者他這裡需要的是一個隨機的迭代器，在它的底層會調用到迭代器的+操作，所以這個時候如果你傳的是一個雙向或者單向的迭代器就不行瞭！！
//sort的函數聲明 template <class RandomAccessIterator> void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last); custom (2) template <class RandomAccessIterator, class Compare> void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, Compare comp);
比如說reverse函數聲明，它的模板參數是BidirectionalIterator，也就是需要一個支持雙向的迭代器，這個時候其實我們就可以傳隨機迭代器和雙向迭代器，從上面的迭代器支持的操作可以看到，隨機迭代器是支持雙向迭代器的所有操作的。
同理，如果是一個需要單向迭代器的地方，我們就可以傳一個雙向，隨機，單向迭代器瞭！！
std::reverse template <class BidirectionalIterator> void reverse (BidirectionalIterator first, BidirectionalIterator last);
從stl3.0當中的stl_iterator.h，我們可以看出當中的繼承關系。這個我們之後再講。
註意：difference_type為兩個迭代器之間的距離。類型ptrdiff_t為無符號整形。
3.x std::find的一個報錯
當我們實現瞭自己的數據結構，如list，我們如果用庫裡的std：find查找我們實現的數據結構當中的數據會報錯。博主的測試版本為vs2013，在其他版本可能不做檢查，不會報錯。
void test_list()
{
list<int> l;
l.push_back(5);
list<int>::iterator it = std::find(l.begin(), l.end(), 5);
}
報錯：這裡的報錯說的是iterator_category不在我們的迭代器當中，這個是對我們迭代器類型的一個檢查。
stl_list.h當中為迭代器添加瞭如下聲明來解決這個問題。
解決方案： 我們可以用stl3.0版本下stl_list.h當中的迭代器的聲明。也可以用release版本下，都是可以跑過的。
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; typedef T value_type; typedef Ptr pointer; typedef Ref reference; typedef ptrdiff_t difference_type;
總結
list的講解就到這裡啦，看到這裡不妨一鍵三連。
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