一、list概述
- list的使用语法:https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/105483054
- 总的来说:环形双向链表
- 特点:
- 底层是使用链表实现的,支持双向顺序访问
- 在list中任何位置进行插入和删除的速度都很快
- 不支持随机访问,为了访问一个元素,必须遍历整个容器
- 与其他容器相比,额外内存开销大
- 设计目的:令容器在任何位置进行插入和删除都很快
- 何时使用:
- 容器需要不断地在中间插入或删除元素
- 无论删除还是增加,list的迭代器、引用、指针都不会失效
- 与其他容器的比较:
vector | 可变大小数组。支持快速随机访问。在尾部之外的位置插入或删除元素可能很慢 |
deque | 双端队列。支持快速随机访问。在头尾插入/删除速度很快 |
list | 双向链表。只支持双向顺序访问。在list中任何位置进行插入和删除的速度都很快 |
forward_list | 单向链表。只支持单向顺序访问。在链表任何位置进行插入和删除操作速度都很快 |
array | 固定大小数组。支持快速随机访问。不能添加或删除元素 |
string | 与vector相似的容器,但专门用于保存字符。随机访问快。在尾部插入或删除速度快 |
二、list的节点(__list_node)
- list的每个节点是一个结构体。以下是list的节点(node)结构:
源码
template <class T> struct __list_node { typedef void* void_pointer; void_pointer prev; //类型为void*。其实可设为__list_node<T>* void_pointer next; T data; };
- 下图是结构所示的样子
三、list的迭代器
- list不再能够像 vector一样以原生指标做为迭代器,因为其节点不保证在储存空间中连续存在
- list迭代器必须有能力指向list的节点,并有能力做正确的递增、递减、取值、成员存取等动作。所谓“list迭代器正确的递增、递 减、取值、成员取用”动作是指:递增时指向下一个节点,递减时指向上一个节点,取值时取的是节点的数据值,成员取用时取用的是节点的成员,如下图所示:
- 由于list是一个双向链表(double linked-list),迭代器必须具备前移、后移的能力。所以list提供的是Bidirectional Iterators
- list有以下几个重要性质:
- 插入动作(insert)和接合动作(splice)都不会造成原有的 list 迭代器失效。这在vector是不成立的,因为 vector的插入动作可能造成记忆体重新配置,导致原有的迭代器全部失效
- 甚至list的元素删除动作(erase),也只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效,其他迭代器不受任何影响
迭代器源码
template<class T, class Ref, class Ptr> struct list_iterator { typedef list_iterator<T, T&, T*> 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; // 迭代器内部当然要有一个原生指标,指向list的节点 // constructor 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; } // 以下对迭代器取值(dereference),取的是节点的数据值 reference operator*() const { return (*node).data; } // 以下是迭代器的成员存取(member access)运算子的标准作法 pointer operator->() const { return &(operator*()); } //对迭代器累加1,就是前进一个节点 self& operator++() { node = (link_type)((*node).next); return *this; } self operator++(int) { self tmp = *this; ++*this; return tmp; } //对迭代器递减1,就是后退一个节点 self& operator--() { node = (link_type)((*node).prev); return *this; } self operator--(int) { self tmp = *this; --*this; return tmp; } };
四、list的数据结构
- list不仅是一个双向串行,而且还是一个环状双向链表。所以它只需要一个指针,便可以完整表现整个链表
link_type、node节点
- node节点是指向于list最后一个节点的指针
template <class T, class Alloc = alloc> //默认使用alloc为配置器 class list { protected: typedef __list_node<T> list_node; public: typedef list_node* link_type; protected: link_type node; // 只要一个指针,便可表示整个环状双向链表 ... };
begin()、end()等函数
- 如果让指标node指向刻意置于尾端的一个空白节点,node便能符合STL对于“前闭后开”区间的要求,成为last迭代器,如下图所示。这么一来,以几个函数便都可以轻易完成:
iterator begin() { return (link_type)((*node).next); } iterator end() { return node; } bool empty() const { return node->next == node; } size_type size() const { size_type result = 0; distance(begin(), end(), result); // 全局函式,第 3章。 return result; } // 取头节点的内容(元素值) reference front() { return *begin(); } // 取尾节点的内容(元素值) reference back() { return *(--end()); }
五、list的构造与内存管理(constructor、push_back、insert)
list的内存管理(list_node_allocator)
- list缺省使用alloc做为空间配置器,并据此另外定义了一个list_node_allocator,为的是更方便地以节点大小为配置单位:
template <class T, class Alloc = alloc> //默认使用alloc为配置器 class list { protected: typedef __list_node<T> list_node; // 专属之空间配置器,每次配置一个节点大小: typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator; ... };
- 于是,list_node_allocator(n) 表示配置n个节点空间。以下四个函数,分别用来配置、释放、建构、摧毁一个节点:
protected: // 配置一个节点并传回 link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); } // 释放一个节点 voidput_node(link_typep){list_node_allocator::deallocate(p);} // 产生(配置并构造)一个节点,带有元素值 link_type create_node(const T& x) { link_type p = get_node(); construct(&p->data, x);//全局函数,构造/析构基本工具 return p; } // 摧毁(解构并释放)一个节点 void destroy_node(link_type p) { destroy(&p->data); //全局函数,构造/析构基本工具 put_node(p); }
构造函数
- list 提供有许多constructors,其中以个是default constructor,允许我们不指 定任何参数做出一个空的list出来:
public: list() { empty_initialize(); } //产生一个空链表 protected: void empty_initialize() { node = get_node(); //配置一个节点空间,令node指向它 node->next = node; //令node头尾都指向自己,不设元素值 node->prev = node; }
- list为空时, node节点的prev、next指向于自己
push_back、insert
- 当我们以push_back()将新元素插入于list尾端,此函数内部调用insert():
void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
- insert()是一个重载函数,有多种形式,其中最简单的以种如下,符合以上所需。首先配置并构造一个节点,然后在尾端进行适当的指针动作,将新节点插入进去:
//函数目的:在迭代器 position 所指位置插入一个节点,内容为x iterator insert(iterator position, const T& x) { link_type tmp = create_node(x);//产生一个节点(设妥内容为x) //调整双向指针,使 tmp插入进去 tmp->next = position.node; tmp->prev = position.node->prev; (link_type(position.node->prev))->next = tmp; position.node->prev = tmp; return tmp; }
- 于是,如果程序连续插入了五个节点(其值为0、1、2、3、4)之后,list的状态如下图所示
- 如果我们希望在list内的某处安插新节点,首先必须确定安插位置, 例如我希望在数据值为3的节点处插入一个数据值为99的节点,可以这么做:
ilite = find(il.begin(), il.end(), 3); if (ilite!=0) il.insert(ilite, 99);
- find()操作稍后再做说明。插入之后的list状态如下图所示。注意,插入完成后, 新节点将位于标兵迭代器(标示出插入点)所指之节点的前方——这是STL对于 “插入动作”的标准规范。由于list不像vector 那样有可能在空间不足时做重新配置、数据移动的操作,所以插入前的所有迭代器在插入动作之后都仍然有效
六、list的元素操作
push_front、push_back
//插入一个节点,做为头节点 void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); } //插入一个个节点,做为尾节点 void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
erase
//移除迭代器position所指节点 iterator erase(iterator position) { link_type next_node = link_type(position.node->next); link_type prev_node = link_type(position.node->prev); prev_node->next = next_node; next_node->prev = prev_node; destroy_node(position.node); return iterator(next_node); }
- 由于list是一个双向环状链表,只要我们把边际条件处理好,那么,在头部或尾部插入元素(push_front 和 push_back),动作几乎是一样的,在头部或尾部移除元素(pop_front和pop_back),动作也几乎是一样的。移除(erase) 某个迭代器所指元素,只是做一些指针搬移动作而已,并不复杂。如果上图再经以下搜寻并移除的动作,状况将如下图所示
ite = find(ilist.begin(), ilist.end(), 1); if (ite!=0) cout << *(ilist.erase(ite)) << endl;
pop_front、pop_back
//移除头节点 void pop_front() { erase(begin()); } //移除尾节点 void pop_back() { iterator tmp = end(); erase(--tmp); }
clear
// 清除所有节点(整个链表) template <class T, class Alloc> void list<T, Alloc>::clear() { link_type cur = (link_type) node->next; //begin() while (cur != node) { //遍历每一个节点 link_type tmp = cur; cur = (link_type) cur->next; destroy_node(tmp); // 销毁(析构并释放)一个节点 } //恢复node原始状态 node->next = node; node->prev = node; }
remove
//将数值为value的所有元素移除 template <class T, class Alloc> void list<T, Alloc>::remove(const T& value) { iterator first = begin(); iterator last = end(); while (first != last) { //遍历每一个节点 iterator next = first; ++next; if (*first == value) erase(first); //找到就移除 first = next; } }
unique
//移除数值相同的连续元素。注意,只有“连续而相同的元素”,才会被移除剩一个 template <class T, class Alloc> void list<T, Alloc>::unique() { iterator first = begin(); iterator last = end(); if (first == last) return; //空链表,什么都不必做 iterator next = first; while (++next != last) { //遍历每一个节点 if (*first == *next) //如果在此区段中有相同的元素 erase(next); //移除之 else first = next; //调整指针 next = first; //修正区段范围 } }
transfer
- list内部提供一个所谓的迁移动作(transfer):将某连续范围的元素迁移到某个特定位置之前。技术上很简单,节点间的指针移动而已
- 这个动作为其他的复杂动作如splice, sort, merge等奠定良好的基础
- 下面是transfer的源码,transfer不是公开接口:
protected: //将[first,last)内的所有元素搬移到position之前 void transfer(iterator position, iterator first, iterator last) { if (position != last) { (*(link_type((*last.node).prev))).next = position.node; // (1) (*(link_type((*first.node).prev))).next = last.node; // (2) (*(link_type((*position.node).prev))).next = first.node; // (3) link_type tmp = link_type((*position.node).prev); // (4) (*position.node).prev = (*last.node).prev; // (5) (*last.node).prev = (*first.node).prev; // (6) (*first.node).prev = tmp; // (7) } }
- 以上七个动作,如下图所示:
splice
- 上述的transfer并非公开接口。 list公开提供的是所谓的接合动作(splice):将某连续范围的元素从一个list搬移到另一个(或同一个)list 的某个定点
- 下面是一个演示案例:
int iv[5] = { 5,6,7,8,9 }; list<int> ilist2(iv, iv+5); //假设ilist的内容为0 2 99 3 4 ite = find(ilist.begin(), ilist.end(), 99); ilist.splice(ite,ilist2); // 0 2 5 6 7 8 9 99 3 4 ilist.reverse(); // 4 3 99 9 8 7 6 5 2 0 ilist.sort(); // 0 2 3 4 5 6 7 8 9 99
- 很容易便可看出效果。下图显示接合动作。技术上很简单,只是节点间的指针移动而已,这些动作已完全由transfer()做掉了
- 为了提供各种接口弹性,list::splice有许多版本:
public: //将x接合于position所指位置之前。x必须不同于*this void splice(iterator position, list& x) { if (!x.empty()) transfer(position, x.begin(), x.end()); } //将i所指元素接合于position所指位置之前。position和i可指向同一个list void splice(iterator position, list&, iterator i) { iterator j = i; ++j; if (position == i || position == j) return; transfer(position, i, j); } //将[first,last) 内的所有元素接合于 position 所指位置之前 //position 和[first,last)可指向同一个list, //但position不能位于[first,last)之内 void splice(iterator position, list&, iterator first, iterator last) { if (first != last) transfer(position, first, last); }
- 以下是 merge(), reverse(), sort()的源码。有了transfer()在手,这些动作都不难完成
merge()
// merge()将x合并到*this身上。两个lists的内容都必须先递增排序 template <class T, class Alloc> void list<T, Alloc>::merge(list<T, Alloc>& x) { iterator first1 = begin(); iterator last1 = end(); iterator first2 = x.begin(); iterator last2 = x.end(); // 注意:前提是,两个lists都已经经过递增排序 while (first1 != last1 && first2 != last2) if (*first2 < *first1) { iterator next = first2; transfer(first1, first2, ++next); first2 = next; } else ++first1; if (first2 != last2) transfer(last1, first2, last2); }
reverse()
//reverse()将*this的内容逆向重置 template <class T, class Alloc> void list<T, Alloc>::reverse() { //以下判断,如果是空链表,或仅有一个元素,就不做任何动作 //使用 size() == 0 || size() == 1 来判断,虽然也可以,但是比较慢 if (node->next == node || link_type(node->next)->next == node) return; iterator first = begin(); ++first; while (first != end()) { iterator old = first; ++first; transfer(begin(), old, first); } }
sort()
//list不能使用STL算法sort(),必须使用自己的sort() member function, //因为STL算法 sort()只接受RamdonAccessIterator. //本函数采用 quick sort template <class T, class Alloc> void list<T, Alloc>::sort() { // 以下判断,如果是空链表,或仅有一个元素,就不做任何动作 // 使用 size() == 0 || size() == 1 来判断,虽然也可以,但是比较慢 if (node->next == node || link_type(node->next)->next == node) return; //一些新的lists,做为中介数据存放区 list<T, Alloc> carry; list<T, Alloc> counter[64]; int fill = 0; while (!empty()) { carry.splice(carry.begin(), *this, begin()); int i = 0; while(i < fill && !counter[i].empty()) { counter[i].merge(carry); carry.swap(counter[i++]); } carry.swap(counter[i]); if (i == fill) ++fill; } for (int i = 1; i < fill; ++i) counter[i].merge(counter[i-1]); swap(counter[fill-1]);