【C++初阶】list的常见使用操作

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一、list的基本概念

• 功能：将数据进行链式存储。
• 链表(list)是一种物理存储单元上非连续的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接实现的。
• 链表的组成:链表由一系列结点组成。
• 结点的组成:一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。
• STL中的链表是一个 双向带头循环链表。这意味着链表中的每个节点都包含指向前一个节点和后一个节点的指针，而头节点和尾节点互相连接形成一个循环。这样的设计使得在链表中插入、删除节点的操作更加高效，同时也提供了双向遍历链表的能力。
• list的数据域同样可以存储不同数据类型，因此它同样是一个模板容器。
  

二、list的构造

2.1 默认构造

list<int> l;

构造空的list对象

2.2 拷贝构造函数

【函数原型】

list (const list& x)

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l1{ 1,2,3,4,5 };cout << "l1：";for (auto x : l1){cout << x << ' ';}cout << endl;// 拷贝构造函数list<int> l2(l1);cout << "l2：";for (auto x : l2){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

2.3 用n个值为val的元素构造

【函数原型】

list (size_type n, const value_type& val = value_type())

没有显示给出第二个参数默认为0

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{// 初始化10个'a'list<char> lc(10, 'a');for (auto x : lc){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

2.4 用迭代区间的元素构造

【函数原型】

list (InputIterator first, InputIterator last)

注意：迭代区间的范围通常是左闭右开的[first, last)

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{int a[] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]); // 计算元素个数list<int> ll(a, a + size);for (auto x : ll){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

三、list的迭代器begin + end

• begin：返回第一个元素的迭代器
• end：返回最后一个元素下一个位置的迭代器
  

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l4{ 1,2,3 };list<int>::iterator it = l4.begin();while (it != l4.end()){cout << *it << ' ';it++;}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

四、list的容量操作

4.1 size

功能：返回list中有效节点的个数

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l4{ 1,2,3 };cout << "有效节点个数：" << l4.size() << endl;return 0;
}

【输出结果】

4.2 empty

功能：检测list是否为空，是返回true，否则返回false

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l4;if (l4.empty()){cout << "l4是空结点" << endl;}else{cout << "l4不是空结点" << endl;cout << "l4的有效结点" << l4.size() << endl;}return 0;
}

【输出结果】

五、list的遍历

list本质是链表，不是用连续性空间存储数据的。因此，list是不支持下标访问[]

5.1 迭代器遍历

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<char> lc;// 尾插lc.push_back('c');lc.push_back('x');lc.push_back('k');lc.push_back('h');lc.push_back('s');list<char>::iterator it = lc.begin();while (it != lc.end()){cout << *it << ' ';it++;}cout << endl;// 以上代码可以结合成for循环的形式// list<char>::iterator太长可使用autofor (auto it = lc.begin(); it != lc.end(); it++){cout << *it << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

5.2 范围for

由于list支持迭代器，那么就一定支范围for。因为范围for的底层就是迭代器实现的

【代码实现】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<char> lc;// 尾插lc.push_back('c');lc.push_back('x');lc.push_back('k');lc.push_back('h');lc.push_back('s');for (auto x : lc){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

六、list的获取元素操作

6.1 front

功能：返回list的第一个节点中值的引用。

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);l5.push_back(5);cout << "第一个结点的值：" <<  l5.front() << endl;return 0;
}

【输出结果】

6.2 back

功能：返回list的最后一个节点中值的引用。

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);l5.push_back(5);cout << "最后一个节点的值：" << l5.back() << endl;return 0;
}

【输出结果】

七、list的对容器修改操作

7.1 push_front

功能：头插

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);l5.push_back(5);// 头插l5.push_front(100);for (auto x : l5){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

7.2 pop_front

功能：头删

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);l5.push_back(5);l5.pop_front();for (auto x : l5){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

7.3 push_back

功能：尾插

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);l5.push_back(5);for (auto x : l5){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

7.4 pop_back

功能：尾删

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);l5.pop_back();for (auto x : l5){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

7.5 insert + 迭代器随机访问问题

从vector开始insert都是使用迭代器来访问的

假设已有数据：1 2 3 4，现要在2后插入100。根据以往所学知识不难可以写出以下代码：

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);l5.insert(l5.begin() + 2, 100);for (auto x : l5){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

可惜报错了。

原因是：list本质是链表，不是用连续性空间存储数据的，迭代器也是不支持随机访问的，只能支持++和--操作（支持双向遍历）

那可能就有人想，++的底层就是+1，那么为什么+1不行，而++可以？

这都归功于类的封装，在对迭代器封装的时候，重新的定义了这些符号的意义，也就是符号的重载。这才使得我们能就像使用指针一样去使用迭代器。下面是list的源代码（部分）

 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;
}

【正确写法】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l5;l5.push_back(1);l5.push_back(2);l5.push_back(3);l5.push_back(4);auto it = l5.begin();for (int i = 0; i < 2; i++){it++;}l5.insert(it, 100);for (auto x : l5){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

接下来我们想，对于insert，list会和vector一样有迭代器失效的问题吗？

答案是没有。原因是：vector在插入时，如果遇到扩容才会存在迭代器失效，而list不存在扩容。

7.6 erase + 迭代器失效问题

功能：删除list position位置的元素

【代码示例】

目的：删除所有元素

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(a, a + sizeof(a) / sizeof(a[0]));cout << "删除前：";for (auto x : l){cout << x << ' ';}cout << endl;auto it = l.begin();while (it != l.end()){l.erase(it);++it;}cout << "删除后：";for (auto x : l){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

程序崩了！

这和vector的情况类似，erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效。

解决方法：在下一次使用it时，必须先给其赋值

【正确代码】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(a, a + sizeof(a) / sizeof(a[0]));cout << "删除前：";for (auto x : l){cout << x << ' ';}cout << endl;auto it = l.begin();while (it != l.end()){// l.erase(it); 错误it = l.erase(it);}cout << "删除后：";for (auto x : l){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

7.7 swap

功能：交换两个list中的元素

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l1;l1.push_back(1);l1.push_back(1);l1.push_back(1);l1.push_back(1);list<int> l2;l2.push_back(2);l2.push_back(2);l2.push_back(2);l2.push_back(2);cout << "交换前" << endl;cout << "l1：";for (auto x : l1){cout << x << ' ';}cout << endl;cout << "l2：";for (auto x : l2){cout << x << ' ';}cout << endl;l1.swap(l2);cout << "交换后" << endl;cout << "l1：";for (auto x : l1){cout << x << ' ';}cout << endl;cout << "l2：";for (auto x : l2){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

7.8 clear

功能：清空list中所有的有效元素

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> l1;l1.push_back(1);l1.push_back(1);l1.push_back(1);l1.push_back(1);l1.clear();if (l1.empty()){cout << "已清空" << endl;}return 0;
}

【输出结果】

八、其他操作（常见）

主要讲解画方括号的，剩下的自行了解即可~

8.1 reverse

功能：逆置list

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<char> lc1;lc1.push_back('a');lc1.push_back('b');lc1.push_back('c');lc1.push_back('d');// list的逆置接口lc1.reverse();for (auto x : lc1){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

其实list设计这个接口没有必要，因为算法库（algorithm）也设计了reverse算法

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm> // 使用算法库需要包含头文件
using namespace std;int main()
{list<char> lc1;lc1.push_back('a');lc1.push_back('b');lc1.push_back('c');lc1.push_back('d');// 算法库逆置reverse(lc1.begin(), lc1.end());for (auto x : lc1){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

8.2 sort

功能：排序list。注意：list底层的sort是归并算法

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> ll;ll.push_back(5);ll.push_back(4);ll.push_back(1);ll.push_back(2);ll.push_back(6);ll.push_back(3);ll.sort();for (auto x : ll){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

但是算法库里面也设计了一个sort，但注意：算法库里面的sort对于list是用不了的。

首先从模板参数上就能发现名字有所不同

事实上，这是因为迭代器从功能上进行了分类。

• InputIterator就是所有迭代器都可以用。

• bidirectional这种迭代器就适合双向的迭代器用。

• RadomAccessIterator就适合随机迭代器去使用。
  

因此，由于list适合双向迭代器，所以用不了库里的sort(RadomAccessIterator)

那我们怎么知道一个容器是什么类型的迭代器呢？很简单，查文档就行：点击跳转

这里我为大家总结了一些常见容器的迭代器：

因此，list接口中实现sort还是有点意义的。我只是说“有点”。

在排序中，vector的排序速度要比list快。这是因为vector是一个连续存储的容器，它的元素在内存中是相邻的，可以利用局部性原理进行高效的排序算法，如快速排序。

相比之下，list是一个链表结构，其元素在内存中是分散存储的，无法直接利用局部性原理，因此排序操作的性能通常较慢。

在某些特定情况下，list可能更适合进行插入和删除操作，因为它对于这些操作的开销较小。因此，在选择容器时，应该根据具体的需求来决定使用哪种容器。

8.3 remove

功能：删除list某个有效数据

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> lit;lit.push_back(1);lit.push_back(2);lit.push_back(3);lit.push_back(4);for (auto x : lit){cout << x << ' ';}cout << endl;// 删除4lit.remove(4);for (auto x : lit){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

8.4 unique

功能：去重。但是要注意首先得先进行排序，才能进行去重。否则效率极低

【代码示例】

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main()
{list<int> lit;lit.push_back(3);lit.push_back(4);lit.push_back(1);lit.push_back(2);lit.push_back(4);for (auto x : lit){cout << x << ' ';}cout << endl;// 去重lit.sort();lit.unique();for (auto x : lit){cout << x << ' ';}cout << endl;return 0;
}

【输出结果】

九、 list与vector的对比

	vecto	list
底层结构	动态顺序表，一段连续的空间	带头结点的双向循环链表
随机访问	支持随机访问，访问某个元素效率O(1)	不支持随机访问，访问某个元素
插入和删除	任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低	任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为O(1)
空间利用率	底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率高，缓存利用率高	底层节点动态开辟，小节点容易造成内存碎片，空间利用率低，缓存利用率低
迭代器	原生态指针	对原生态指针(节点指针)进行封装
迭代器失效问题	在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效	插入元素不会导致迭代器失效，删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响
使用场景	需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率	大量插入和删除操作，不关心随机访问