第九講：C++中的list與forward

1、list的介紹及使用

1.1、構造及賦值重載

1.2、迭代器

1.3、空間

1.4、訪問

1.5、修改

1.6、操作

2、迭代器失效

3、list的模擬實現

4、forward_list介紹與使用

4.1、構造及賦值重載

4.2、迭代器

4.3、容量

4.4、訪問

4.5、修改

4.6、操作

5、迭代器的分類

5.1、按功能分類

5.2、按性質分類

6、list與vector的對比

1、list的介紹及使用

template < class T, class Alloc = allocator<T> > class list;

list文檔介紹

list的底層是帶頭雙向鏈表結構，雙向鏈表中每個元素存儲在獨立節點中，在節點中通過指針指向其前一個元素和后一個元素。list與forward_list非常相似，最主要的不同在于forward_list是無頭單向鏈表。

與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隨機訪問，比如：要訪問list的第6個元素，必須從已知的位置(比如頭部或者尾部)迭代到該位置，在這段位置上迭代需要線性的時間開銷；此外list還需要一些額外的空間，以保存每個節點的相關聯信息(對于存儲類型較小元素的大list來說這可能是一個重要的因素）。

1.1、構造及賦值重載

explicit list (const allocator_type& alloc = allocator_type()); // 默認構造explicit list (size_type n, const value_type& val = value_type(), const allocator_type& alloc = allocator_type()); // 構造n個val值template <class InputIterator>  
list (InputIterator first, InputIterator last, const allocator_type& alloc = allocator_type()); // 迭代器區間構造list (const list& x); // 拷貝構造list& operator= (const list& x); // 賦值重載

1.2、迭代器

iterator begin();
iterator end();const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;reverse_iterator rbegin();
reverse_iterator rend();const_reverse_iterator rbegin() const;
const_reverse_iterator rend() const;

例如：?

int main()
{list<int> lt1;list<int> lt2(10, 2);list<int> lt3(lt2.begin(), lt2.end());list<int> lt4(lt3);lt1 = lt4;list<int>::iterator it1 = lt1.begin();while (it1 != lt1.end()){cout << *it1 << ' ';++it1;}cout << endl;for (auto e : lt4){cout << e << ' ';}cout << endl;return 0;
}

1.3、空間

bool empty() const; // 判斷是否為空size_type size() const; // 元素個數

例如：?

int main()
{list<int> lt1;list<int> lt2(10, 2);cout << lt1.empty() << endl;cout << lt2.empty() << endl;cout << lt1.size() << endl;cout << lt2.size() << endl;return 0;
}

1.4、訪問

reference front(); // 起始元素
const_reference front() const;reference back(); // 末尾元素
const_reference back() const;

例如：?

int main()
{list<int> lt1(10, 2);lt1.front()++;lt1.back()--;cout << lt1.front() << endl;cout << lt1.back() << endl;return 0;
}

1.5、修改

void push_front (const value_type& val); // 頭插
void pop_front(); // 頭刪void push_back (const value_type& val); // 尾插
void pop_back(); // 尾刪iterator insert (iterator position, const value_type& val); // 插入iterator erase (iterator position); // 刪除void swap (list& x); // 交換void resize (size_type n, value_type val = value_type()); // 改變元素的個數void clear(); // 清空

例如：?

int main()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_front(5);lt.push_front(6);for (auto e : lt){cout << e << ' ';}cout << endl;lt.resize(10, 9);lt.insert(lt.begin(), 7);for (auto e : lt){cout << e << ' ';}cout << endl;list<int> lt2(lt);lt.clear();for (auto e : lt2){cout << e << ' ';}cout << endl;lt.swap(lt2);for (auto e : lt){cout << e << ' ';}cout << endl;lt.pop_front();lt.pop_back();for (auto e : lt){cout << e << ' ';}cout << endl;return 0;
}

1.6、操作

void sort(); // 排序，默認是升序template <class Compare>
void sort (Compare comp); // 關于仿函數，后面再說void reverse(); // 逆置

例如：

int main()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_front(5);lt.push_front(6);lt.reverse();list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << ' ';++it;}cout << endl;list<int> lt2(lt);lt.sort();for (auto e : lt){cout << e << ' ';}cout << endl;greater<int> gt;lt2.sort(gt);for (auto e : lt2){cout << e << ' ';}cout << endl;return 0;
}

2、迭代器失效

前面說過，迭代器失效即迭代器所指向的節點的無效。因為list的底層結構為帶頭結點的雙向循環鏈表，因此在list中進行插入時是不會導致list的迭代器失效的，只有在刪除時才會失效，并且失效的只是指向被刪除節點的迭代器，其他迭代器不會受到影響。例如：

int main()
{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()函數執行后，it所指向的節點已被刪除，因此it無效，在下一次使用it時，必須先給其賦值lt.erase(it);++it;}return 0;
}

當運行到++it時就會報錯。?改為如下即可：

int main()
{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++); //或者也可以寫成：//it = lt.erase(it);}for (auto e : lt){cout << e << ' ';}cout << endl;return 0;
}

3、list的模擬實現

template<class T>
struct list_node
{list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;T _data;list_node(const T& x = T()):_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(x){}
};// ///////////////////////////////////////////////////////////template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T,Ref,Ptr> self;//這里的拷貝構造函數和析構函數都沒有寫，默認的就夠用的了。Node* _node;__list_iterator(Node* node):_node(node){}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;}Ref operator*()               {return _node->_data;}Ptr operator->()                 {return &_node->_data;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}
};// /////////////////////////////////////////template<class T>
class List
{
public:typedef list_node<T> Node;// 正向迭代器typedef __list_iterator<T,T&,T*> iterator;typedef __list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;// //////////////////////////////////////////////////////iterator begin(){return _head->_next;//這里也可以寫為:iterator(_head->_next);}iterator end(){return _head;//這里也可以寫為:iterator(_head);}const_iterator begin() const{return _head->_next;}const_iterator end() const{return _head;}// ///////////////////////////////////////////////////////////void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}List(){empty_init();}List(const List<T>& lt){empty_init();const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){push_back(*it);++it;}//像下面這樣寫也是可以的/*for (auto e : lt){push_back(e);}*/}/*List<T>& operator=(const List<T>& lt) // 傳統寫法{if (this != &lt){clear();for (auto e : lt){push_back(e);}}return *this;}*/void swap(List<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}List<T>& operator=(List<T> lt) // 現代寫法{swap(lt);return *this;}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;++_size;return iterator(newnode);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_front(){erase(begin());}void pop_back(){erase(--end());}~List(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;delete cur;prev->_next = next;next->_prev = prev;--_size;return iterator(next);}void push_back(const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* end = _head->_prev;end->_next = newnode;newnode->_prev = end;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;_size++;}size_t size(){return _size;}private:Node* _head;size_t _size;
};

4、forward_list介紹與使用

template < class T, class Alloc = allocator<T> > class forward_list;

forward_list文檔介紹

forward_list的底層結構是無頭單向鏈表。

4.1、構造及賦值重載

//默認構造
explicit forward_list (const allocator_type& alloc = allocator_type());//構造n個val
explicit forward_list (size_type n, const value_type& val,const allocator_type& alloc = allocator_type());
//用迭代區間構造
template <class InputIterator>
forward_list (InputIterator first, InputIterator last,const allocator_type& alloc = allocator_type());//拷貝構造
forward_list (const forward_list& fwdlst);//賦值重載
forward_list& operator= (const forward_list& fwdlst);

4.2、迭代器

iterator before_begin() noexcept; // 返回容器第一個元素之前的位置
const_iterator before_begin() const noexcept;iterator begin() noexcept; // 返回第一個元素的位置
const_iterator begin() const noexcept;iterator end() noexcept; // 返回最后一個元素之后的位置
const_iterator end() const noexcept;

例如：?

int main()
{   forward_list<int> f1;forward_list<int> f2(5, 3);forward_list<int> f3(f2.begin(), f2.end());forward_list<int> f4(f3);f1 = f4;forward_list<int>::iterator it1 = f2.begin();while (it1 != f2.end()){cout << *it1 << ' ';++it1;}cout << endl;for (auto& e : f3){cout << ++e << ' ';}cout << endl;return 0;
}

4.3、容量

bool empty() const noexcept; // 判斷是否為空

4.4、訪問

reference front(); // 返回第一個元素
const_reference front() const;

4.5、修改

void push_front (const value_type& val); //頭插void pop_front(); // 頭刪iterator insert_after ( const_iterator position, const value_type& val ); // 之后插入iterator erase_after (const_iterator position); // 之后刪除void swap (forward_list& fwdlst); // 交換void resize (size_type n); // 增大元素個數
void resize (size_type n, const value_type& val);void clear() noexcept; // 清空

例如：?

int main()
{   forward_list<int> f1;f1.push_front(1);f1.push_front(2);f1.push_front(3);f1.push_front(4);f1.push_front(5);cout << f1.empty() << endl;cout << f1.front() << endl;f1.insert_after(f1.before_begin(), 6);forward_list<int>::iterator it1 = f1.begin();while (it1 != f1.end()){cout << *it1 << ' ';++it1;}cout << endl;forward_list<int> f2;f2.resize(10, 5);f1.swap(f2);f2.clear();for (auto e : f1){cout << e << ' ';}cout << endl;return 0;
}

4.6、操作

void sort(); // 排序，默認為升序template <class Compare>
void sort (Compare comp);void reverse() noexcept; // 逆置

例如：

int main()
{   forward_list<int> f1;f1.push_front(5);f1.push_front(4);f1.push_front(3);f1.push_front(5);f1.push_front(2);f1.sort();for (auto e : f1){cout << e << ' ';}cout << endl;f1.reverse();for (auto e : f1){cout << e << ' ';}cout << endl;return 0;
}

5、迭代器的分類

5.1、按功能分類

迭代器按功能分類可以分為正向迭代器和反向迭代器。關于反向迭代器，會在模板進階部分進行模擬實現。

5.2、按性質分類

迭代器按性質（由容器的底層實現決定的）分類可以分為單向迭代器、雙向迭代器以及隨機迭代器。

單向迭代器：只支持++，不支持--，例如：forward_list（單鏈表）。

雙向迭代器：支持++，也支持--，例如：list（雙向鏈表）

隨機迭代器：支持++，也支持--，還支持+以及-，例如：vector（順序表）、string（順序表）以及deque（后面講）。

例如：算法庫中有一個sort模板函數，用來進行排序

template <class RandomAccessIterator>
void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);	template <class RandomAccessIterator, class Compare>
void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, Compare comp);

但是該模板函數不能用來對list以及forward_list進行排序，因為該模板函數要求的是傳隨機迭代器，這也就是為什么，明明算法庫中有sort模板函數，但是forward_list以及list中也實現了sort函數的原因。

6、list與vector的對比

	vector	list
底層結構	動態順序表，一段連續空間	帶頭結點的雙向循環鏈表
隨機訪問	支持隨機訪問，訪問某個元素效率O(1)	不支持隨機訪問，訪問某個元素效率為O(N)
插入和刪除	任意位置插入和刪除效率低，需要搬移元素，時間復雜度為O(N)，插入時有可能需要增容，增容會開辟新空間、拷貝元素以及釋放舊空間，導致效率更低	任意位置插入和刪除效率高，不需要搬移元素，時間復雜度為 O(1)
空間利用率	底層為連續空間，不容易造成內存碎片，空間利用率高，緩存利用率高。	底層節點動態開辟，節點容易造成內存碎片，空間利用率低，緩存利用率低。
迭代器	原生態指針	對原生態指針進行封裝
迭代器失效	在插入元素后，要給迭代器重新賦值，因為插入元素有可能會導致重新擴容，致使原來迭代器失效。刪除后，迭代器需要重新賦值否則會失效。	插入元素不會導致迭代器失效，刪除元素時，只會導致當前迭代器失效，其他迭代器不受影響。
使用場景	需要高效存儲，隨機訪問，不關心插入刪除效率。	大量插入和刪除操作，不關心隨機訪問。