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C++数据结构之list详解
来源:jb51  时间:2021/11/22 11:31:37  对本文有异议

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

  1. template <class T>
  2. struct __list_node {
  3. typedef void* void_pointer;
  4. void_pointer next;
  5. void_pointer prev;
  6. T data;
  7. };
  8.  

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

  1. class list --> list() { empty_initialize();
  2.  
  3. void empty_initialize() {
  4. node = get_node();
  5. node->next = node;
  6. node->prev = node;
  7. }

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。

  1. int main()
  2. {
  3. list<int> l;
  4. l.push_back(1);
  5. l.push_back(2);
  6. l.push_back(3);
  7. l.push_back(4);
  8. l.push_back(5);
  9. l.push_back(6);
  10.  
  11. list<int>::iterator it = l.begin();
  12. while (it != l.end())
  13. {
  14. cout << *it << " ";
  15. it++;
  16. }
  17. cout << endl;
  18. return 0;
  19. }
  • 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:

  1. template<class T, class Ref, class Ptr>
  2. struct __list_iterator {
  3. typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
  4. typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
  5. typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
  6.  
  7. typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
  8. typedef T value_type;
  9. typedef Ptr pointer;
  10. typedef Ref reference;
  11. typedef __list_node<T>* link_type;
  12. typedef size_t size_type;
  13. typedef ptrdiff_t difference_type;
  14.  
  15. link_type node;
  16.  
  17. __list_iterator(link_type x) : node(x) {}
  18. __list_iterator() {}
  19. __list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}
  20.  
  21. bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
  22. bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
  23. reference operator*() const { return (*node).data; }
  24.  
  25. #ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR
  26. pointer operator->() const { return &(operator*()); }
  27. #endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */
  28.  
  29. self& operator++() {
  30. node = (link_type)((*node).next);
  31. return *this;
  32. }
  33. self operator++(int) {
  34. self tmp = *this;
  35. ++*this;
  36. return tmp;
  37. }
  38. self& operator--() {
  39. node = (link_type)((*node).prev);
  40. return *this;
  41. }
  42. self operator--(int) {
  43. self tmp = *this;
  44. --*this;
  45. return tmp;
  46. }

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

  1. template<class T>
  2. class __list_node
  3. {
  4. public:
  5. __list_node(const T& val = T())//用一个全缺省比较好
  6. :_next(nullptr)
  7. ,_pre(nullptr)
  8. ,node(val)
  9. {}
  10. public:
  11. __list_node<T>* _next;
  12. __list_node<T>* _pre;
  13. T node;
  14. };
  15.  
  16. template<class T>
  17. class __list_itertaor//这里是迭代器
  18. {
  19. public:
  20. typedef __list_node<T> Node;
  21. __list_itertaor(Node* node)
  22. {
  23. _node = node;
  24. }
  25.  
  26. bool operator!=(const __list_itertaor<T>& it)
  27. {
  28. return _node != it._node;
  29. }
  30. __list_itertaor<T>& operator++()
  31. {
  32. _node = _node->_next;
  33. return *this;
  34. }
  35. T& operator*()
  36. {
  37. return _node->node;
  38. }
  39. private:
  40. Node* _node;
  41. };

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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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*();

  1. template<class T>
  2. class __list_node
  3. {
  4. public:
  5. __list_node(const T& val = T())//用一个全缺省比较好
  6. :_next(nullptr)
  7. ,_pre(nullptr)
  8. ,node(val)
  9. {}
  10. public:
  11. __list_node<T>* _next;
  12. __list_node<T>* _pre;
  13. T node;
  14. };
  15.  
  16. template<class T,class Ref>
  17. class __list_itertaor
  18. {
  19. public:
  20. typedef __list_node<T> Node;
  21. __list_itertaor(Node* node)
  22. {
  23. _node = node;
  24. }
  25.  
  26. bool operator!=(const __list_itertaor<T,Ref>& it)
  27. {
  28. return _node != it._node;
  29. }
  30. __list_itertaor<T,Ref>& operator++()
  31. {
  32. _node = _node->_next;
  33. return *this;
  34. }
  35. Ref operator*()//返回Ref,返回值就有区别啦
  36. {
  37. return _node->node;
  38. }
  39. private:
  40. Node* _node;
  41. };
  42.  
  43. template<class T>
  44. class list
  45. {
  46. typedef __list_node<T> Node;
  47. public:
  48. typedef __list_itertaor<T,T&> iterator;
  49. typedef __list_itertaor<T, const T&> const_iterator;//修改
  50. iterator begin()
  51. {
  52. return iterator(_node->_next);
  53. }
  54. iterator end()
  55. {
  56. return iterator(_node);
  57. }
  58. const_iterator begin()const
  59. {
  60. return const_iterator(_node->_next);
  61. }
  62. const_iterator end()const
  63. {
  64. return const_iterator(_node);
  65. }
  66. list()
  67. {
  68. _node = new Node;
  69. _node->_next = _node;
  70. _node->_pre = _node;
  71. }
  72. void push_back(const T& val)
  73. {
  74. Node* newnode = new Node(val);
  75. Node* tail = _node->_pre;
  76. tail->_next = newnode;
  77. newnode->_pre = tail;
  78. newnode->_next = _node;
  79. _node->_pre = newnode;
  80. }
  81. private:
  82. Node* _node;
  83. };

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

在这里插入图片描述

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!!

  1. //sort的函数声明
  2. template <class RandomAccessIterator>
  3. void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);
  4. custom (2)
  5. template <class RandomAccessIterator, class Compare>
  6. 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!!

  1. std::reverse
  2. template <class BidirectionalIterator>
  3. 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。

在这里插入图片描述

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。

  1. void test_list()
  2. {
  3.  
  4. list<int> l;
  5. l.push_back(5);
  6. list<int>::iterator it = std::find(l.begin(), l.end(), 5);
  7. }

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。

在这里插入图片描述

stl_list.h当中为迭代器添加了如下声明来解决这个问题。

在这里插入图片描述

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。

  1. typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
  2. typedef T value_type;
  3. typedef Ptr pointer;
  4. typedef Ref reference;
  5. typedef ptrdiff_t difference_type;

在这里插入图片描述

总结

list的讲解就到这里啦,看到这里不妨一键三连。

到此这篇关于C++数据结构之list详解的文章就介绍到这了,更多相关C++ list 内容请搜索w3xue以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持w3xue!

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