C++数据结构之list详解

前言

list相较于vector来说会显得复杂，它的好处是在任意位置插入,删除都是一个O(1)的时间复杂度。

一、list的节点

template <class T>
struct __list_node {
typedef void* void_pointer;
void_pointer next;
void_pointer prev;
T data;
};

这个是在stl3.0版本下的list的节点的定义，节点里面有一个前指针，一个后指针，有一个数据data。这里只能知道他是一个双向链表，我们可以再稍微看一下list关于它的构造函数。

class list  --> list() { empty_initialize(); 

void empty_initialize() { 
  node = get_node();
  node->next = node;
  node->prev = node;
}

再看一下它的list(),可以看出他调用的empty_initialize（），是创建了一个头结点，并且是一个循环的结构。

综上：list的总体结构是一个带头循环双向链表

二、list的迭代器

迭代器通常是怎么使用的，看一下下面这段代码。

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;
}

我们从list< int >当中定义一个iterator对象，然后让他去访问我们的节点
并且他所支持的操作有++，解引用，当然还有 --等等

stl3.0当中的迭代器实现：

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;
}

大家感兴趣可以先看看上面的，我们先用一个简述版的来带大家简要实现一下

	template<class T>
	class __list_node
	{
	public:
		__list_node(const T& val = T())//用一个全缺省比较好
			:_next(nullptr)
			,_pre(nullptr)
			,node(val)
		{}
	public:
		__list_node<T>* _next;
		__list_node<T>* _pre;
		T node;
	};

	template<class T>
	class __list_itertaor//这里是迭代器
	{
	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;
	};

这里的实现是不完整的，但是很适合说明问题。通过我们去重载opertaor++，和重载opertaor*，可以让我们像指针一样去访问一个节点，让我们可以跟vector和string一样用同样的接口就能实现对数据的访问，这是非常厉害的一个技术。

注意点：

我们通过对节点的操作，重载了operator++等接口实现了对一个节点的访问，访问的时候实际上也就是创建迭代器对象，对我们的数据进行访问，所以我们封装的时候是将节点的指针进行封装。
list相比vector，正因为他们的底层结构不相同，list的迭代器在插入操作和接合操作（splice）都不会造成迭代器失效，只有删除的时候，只有那个被删除元素的迭代器失效，而不影响后面的，而vector就统统失效了。

模板参数为什么是三个

2.1 const 迭代器

有这样一种情况，我们需要const对象去遍历，假如我们有个函数叫做print_list（const list< int >& lt）;
传参：其中传参中const是因为不会对对象进行修改，加引用是因为不用深拷贝，提高效率。
功能：这个函数就是去打印链表里面的内容的。但是按照我们上面的实现，会出现什么问题呢。

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这很正常，在const迭代器就去生成const迭代器对象，在vector，string这些迭代器就是原生指针的时候我们只需要typedef const T* const_iterator,那如果我们在我们生成的list也做类似的操作，来看看结果。

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结果我们发现，好像没多大问题，但是我们尝试修改const迭代器里面的内容时，却发现能修改成功。const迭代器怎么能修改里面的数据呢？这就有问题了！！！说明我们的有一个巨大的隐患在里面。

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2.2 修改方法

最简单的方法当然就是再写多一个迭代器，把__list_iterator换成__list_const_iterator 之类的，但是我们认真观察的话，实际上这两个类很多东西是重复的，只有在operator*，operator->时所需要的返回值，我们需要找到一种方法去让const对象的返回值也是const对象，答案就是添加多两个个模板参数。
以下以添加一个模板参数为例，实现一个Ref operator*()；

template<class T>
	class __list_node
	{
	public:
		__list_node(const T& val = T())//用一个全缺省比较好
			:_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，返回值就有区别啦
		{
			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;
	};

一图了解：也就是我们的测试端test函数中定义list< int >::const_iterator cit= l.begin();的时候迭代器对象就会识别到定义的const迭代器，它的第二个模板参数放的就是const T&，这样子我们operator*（）返回的时候只需要返回第二个模板参数就可以了。

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同理，我们要用到的接口operator->当中也会有const对象和普通对象调用的情况。我们这里把实现的代码放出来，有需要的自取。

–》码云链接《–

二、美中不足

list上面说的仿佛都是优点

任意位置的O(1)时间的插入删除，迭代器失效的问题变少了。但他又有哪些不足呢

不支持随机访问
排序的效率慢，库中的sort用的是归并排序–>快排需要三数取中，对于链表来说实现出来效率也低，所以当链表的元素需要进行排序的时候，我们通常也都会拷贝到vector当中，再用vector当中的排序。
同理链表的逆置效率也不高！

三、迭代器的分类

迭代器从功能角度来看的话分为：const迭代器/普通迭代器 + 正反向。

从容器底层结构角度分为：单向，双向，随机。

单向：单链表迭代器（forward_list）/哈希表迭代器；这些只支持单向++；
双向：双链表迭代器/map迭代器；这些支持的++/- -操作；
随机迭代器： string/vector/deque；这些是支持++/- -/+/-操作的，类似原生指针一般。

我们来看一下部分函数的，比如sort当中的模板参数写成RandomAccessIterator，就是想要明示使用者他这里需要的是一个随机的迭代器，在它的底层会调用到迭代器的+操作，所以这个时候如果你传的是一个双向或者单向的迭代器就不行了！！

//sort的函数声明
template <class RandomAccessIterator>
void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);
custom (2)	
template <class RandomAccessIterator, class Compare>
void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, Compare comp);

比如说reverse函数声明，它的模板参数是BidirectionalIterator，也就是需要一个支持双向的迭代器，这个时候其实我们就可以传随机迭代器和双向迭代器，从上面的迭代器支持的操作可以看到，随机迭代器是支持双向迭代器的所有操作的。
同理，如果是一个需要单向迭代器的地方，我们就可以传一个双向，随机，单向迭代器了！！

std::reverse
template <class BidirectionalIterator>
void reverse (BidirectionalIterator first, BidirectionalIterator last);

从stl3.0当中的stl_iterator.h，我们可以看出当中的继承关系。这个我们之后再讲。

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注意：difference_type为两个迭代器之间的距离。类型ptrdiff_t为无符号整形。

3.x std::find的一个报错

当我们实现了自己的数据结构，如list，我们如果用库里的std：find查找我们实现的数据结构当中的数据会报错。博主的测试版本为vs2013，在其他版本可能不做检查，不会报错。

void test_list()
	{

		list<int> l;
		l.push_back(5);
		list<int>::iterator it = std::find(l.begin(), l.end(), 5);
	}

报错：这里的报错说的是iterator_category不在我们的迭代器当中，这个是对我们迭代器类型的一个检查。

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stl_list.h当中为迭代器添加了如下声明来解决这个问题。

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解决方案：我们可以用stl3.0版本下stl_list.h当中的迭代器的声明。也可以用release版本下，都是可以跑过的。

		typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
		typedef T value_type;
		typedef Ptr pointer;
		typedef Ref reference;
		typedef ptrdiff_t difference_type;

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