深入理解 C++ STL list 底层实现与模拟实现

2.3 list 关于容量的函数

#include<iostream>
#include<list>
using namespace std;
int main() {
    list<int> lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    cout << "size:" << lt.size() << endl;
    cout << "empty:" << lt.empty() << endl;
    return 0;
}

2.4 list 中的数据访问函数

2.5 list 关于数据的函数

// list 插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void 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/clear
void 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;
}

2.6 list 迭代器失效

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。

示例:

void TestListIterator1() {
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    list<int> lt(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
    auto it = lt.begin();
    while (it != lt.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
        lt.erase(it);
        ++it;
    }
}

// 改正
void TestListIterator() {
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    list<int> lt(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
    auto it = lt.begin();
    while (it != lt.end()) {
        lt.erase(it++); // it = l.erase(it);
    }
}

3. list 中的 sort 和算法库中的区别

list 中的 sort 底层实现是归并排序实现的。(时间复杂度高，效率低)

算法库中的 sort 底层是快排实现的。(时间复杂度低，效率高)

效率测试和对比：

4. list 的模拟实现及正向和反向迭代器解析

4.1 list 的迭代器封装

list 的迭代器和 string 和 vector 迭代器的区别： 首先我们得清楚，list 中每一个节点，在空间都是非连续存储的，不像 string 和 vector 的迭代器一样直接对迭代器++/--即可，由于其底层是内置类型的指针形似而它们在内存中存储数据又是在连续的空间上存储的，不需要我们进行因此我们在对迭代器做 ++/ -- 等操作的时候重载运算符。

我们应该怎么办呢？

通过封装迭代器，对++、--等运算符实现重载。

迭代器的成员变量的解析:

4.2 迭代器模板参数的解析

4.3 正向迭代器模拟实现

template<class T> struct list_node {
    list_node<T>* _next=nullptr;
    list_node<T>* _prev=nullptr;
    T _val;
    list_node(const T& val = T()) :_val(val) {}
};

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->_val; }
    Ptr operator->() { return &_node->_val; }
    Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; }
    Self operator++(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; }
    Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; }
    Self operator--(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; }
    bool operator!=(const Self& it) const { return _node != it._node; }
    bool operator==(const Self& it) const { return _node == it._node; }
};

4.4 反向迭代器模拟实现

原理和正向迭代器差不多，反向迭代器的成员变量的类型是正向迭代器，通过操作符重载的方式实现逻辑变化，反向迭代器的操作符重载实现，底层原理都是去调用正向迭代器的操作符重载，唯一区别就是逻辑不同。

template<class iterator,class Ref,class Ptr> struct Reverse_iterator {
public:
    typedef Reverse_iterator<iterator, Ref, Ptr> Self;
    iterator _it;
    Reverse_iterator(iterator it) :_it(it) { }
    Self operator++() { --_it; return *this; }
    Self operator--() { ++_it; return *this; }
    Ref operator*() { iterator tmp = _it; return *(--tmp); }
    Ptr operator->() { return &(operator*()); }
    bool operator!=(const Self& s) const { return _it != s._it; }
};

4.5 list 函数模拟实现

template<class T> struct list_node {
    list_node<T>* _next=nullptr;
    list_node<T>* _prev=nullptr;
    T _val;
    list_node(const T& val = T()) :_val(val) {}
};

template<class T> class list {
    typedef list_node<T> Node;
public:
    typedef __list_iterator<T,T&,T*> iterator;
    typedef __list_iterator<T, const T&,const T*> const_iterator;
    typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
    typedef Reverse_iterator<const_iterator, const T&,const T*> reverse_const_iterator;
    //反向迭代器
    reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(_head); }
    reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(_head->_next); }
    //const 反向迭代器
    reverse_const_iterator rbegin() const { return reverse_const_iterator(_head); }
    reverse_const_iterator rend() const { return reverse_const_iterator(_head->_next); }
    //正向迭代器
    iterator begin() { return iterator(_head->_next); }
    iterator end() { return _head; }
    //const 正向迭代器
    const_iterator begin() const { return const_iterator(_head->_next); }
    const_iterator end() const { return const_iterator(_head); }
    void empty_init() {
        _head = new Node;
        _head->_prev = _head;
        _head->_next = _head;
        _sz = 0;
    }
    list() { empty_init(); }
    list(const list<T>& lt) {
        empty_init();
        auto it = lt.begin();
        while (it != lt.end()) {
            push_back(*it);
            ++it;
        }
    }
    void swap(list<T>& lt) {
        std::swap(_head, lt._head);
        std::swap(_sz, lt._sz);
    }
    list<T>& operator=(list<T> lt) {
        swap(lt);
        return *this;
    }
    void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
    void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }
    void pop_back() { erase(--end()); }
    void pop_front() { erase(begin()); }
    //pos 之前插入
    iterator insert(iterator pos, const T& x) {
        Node* cur = pos._node;
        Node* prev = cur->_prev;
        Node* newnode = new Node(x);
        cur->_prev = newnode;
        newnode->_prev = prev;
        prev->_next = newnode;
        newnode->_next = cur;
        ++_sz;
        return newnode;
    }
    iterator erase(iterator pos) {
        assert(pos != end());
        Node* cur = pos._node;
        Node* prev = cur->_prev;
        Node* next = cur->_next;
        prev->_next = next;
        next->_prev = prev;
        delete cur;
        --_sz;
        return next;
    }
    size_t size() { return _sz; }
    void clear() {
        list<T>::iterator it = begin();
        while (it != end()) {
            it = erase(it);
        }
        _sz = 0;
    }
    ~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; }
private:
    Node* _head;
    size_t _sz; //用于记录 list 中有效数据的个数
};

5. list 和 vector 的对比