C++ STL 容器系列（三）list —— 编程世界的万能胶，数据结构中的百变精灵

STL系列学习参考：

C++ STL系列__zwy的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/bite_zwy/category_12838593.html

学习C++ STL的三个境界，会用，明理，能扩展，STL中的所有容器都遵循这个规律，下面我们就按照这三个境界来学习list

一、认识标准库中的list

list的参考文档：

cplusplus.com/reference/list/list/?kw=listhttps://cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list头文件为<list>

list 成员变量

list是C++标准库提供的类模板，本质上是一个双向带头循环链表.

结构如下图所示：

二、list的的常用接口

1、Construct 构造函数

<1>、list（）默认构造，构造空的list

list<int>  mylist1;
list<string>  mylist2;
//list中的元素类型为 vector<int>
list<vector<int>> mylist3;

 默认构造的list元素个数都是0.

<2>、 list (size_type n, const value_type& val)

构造的list中包含n个值为val的元素

//使用n个value构造
list<int>  mylist1(10, 5);
list<string>  mylist2(3,"hellolist");
//list中的元素类型为 vector<int>
// 第二个参数是vector的initializer list构造
list<vector<int>> mylist3(5,{1,2,3,4,5});

其中mylist3有5个元素，每个元素是size为5的vector.

<3>、list (const list& x）（重点）

拷贝构造

//使用n个value构造
list<int>  mylist1(10, 5);
list<string>  mylist2(3,"hellolist");
//list中的元素类型为 vector<int>
// 第二个参数是vector的initializer list构造
list<vector<int>> mylist3(5,{1,2,3,4,5});//拷贝构造
list<int> copy1(mylist1);
list<string> copy2(mylist2);
list<vector<int>> copy3(mylist3);

拷贝构造时要注意，拷贝构造对象和被拷贝对象的实例化类型要相同，否则无法构造。

<4>、list (InputIterator first, InputIterator last)

迭代器区间构造

//迭代器区间构造
vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };
//利用vector的整个区间构造
list<int> listint(v.begin(), v.end());string s("hellolist");
//使用string的部分区间构造
list<char> listchar(s.begin() + 1, s.end() - 2);//使用vector<vector<int>> 的迭代器区间
vector<vector<int>> vv(10, { 1,3,5,7,9 });
list<vector<int>> listv(vv.begin() + 2, vv.end() - 3);

使用迭代器区间构造，也需要保证类型匹配！

<5>、list的initializer list 构造

//list的initializer list 构造
list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };
list<string> list_str{ "hellolist","string","vector","list" };
//list的initializer list 构造中嵌套了vector的initializer list 构造
list<vector<int>> list_v{ {1,2,3},{3,4,5},{4,5,6} };

list 同样支持C++11提出的initializer list 构造。

2、list iterator（重点）

此处，大家可暂时将迭代器iterator理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。

list的迭代器iterator只支持++和--等自增自减操作，不支持+和-。

<1>、begin（）+end（）

返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器

<2>、rbegin（）+rend（）

返回第一个元素的 reverse_iterator, 即 end（） 位置 ， 返回最后一个元素下一个位 置 reverse_iterator, 即 begin（） 位置

  begin 与 end 为正向迭代器，对迭代器执行 ++ 操作，迭代器向后移动

 rbegin(end) 与 rend(begin) 为反向迭代器，对迭代器执行 ++ 操作，迭代器向前移动

<3>、迭代器遍历

正向迭代器遍历：

list<string> list_s{ "apple","banana","orange","grape","mango","strawberry"};
list<string>::iterator it = list_s.begin();
while (it != list_s.end())
{//迭代器支持解引用cout << *it << endl;++it;
}

反向迭代器遍历：

list<string> list_s{ "apple","banana","orange","grape","mango","strawberry"};
list<string>::reverse_iterator it = list_s.rbegin();
while (it != list_s.rend())
{//迭代器支持解引用cout << *it << endl;++it;
}

3、Capacity 容量

<1>、empty（）

检查list是否为空，为空返回true，否则返回false         

list<int> list_int;
if (list_int.empty())cout << "list_int为空" << endl;
elsecout << "list_int不为空" << endl;list<string> list_str{ 2,"hellolist" };
if (list_str.empty())cout << "list_str为空" << endl;
elsecout << "list_str不为空" << endl;

<2>、size（）

返回list当前的有效节点个数

list<int> myints{ 1,2,3,4,5 };
cout << "myints size:" << myints.size() << endl;list<char> mychars{ 'a','b','c','d','e','f' };
cout << "mychars size:" << mychars.size() << endl;list<string> mystrs{ "apple","banana","grape","strawberry"};
cout << "mystrs size:" << mystrs.size() << endl;

4、Element access 

list 元素访问

<1>、front（）

返回list的第一个节点中值的引用，如果list中的元素被const修饰，那么就返回const 引用.

list<int> myints{ 1,2,3,4,5 };
cout << "myints.front() is: " << myints.front() << endl;myints.front() -= 10;
cout << "Now myints.front() is: " << myints.front() << endl;

<2>、back（）

返回list的最后一个节点中值的引用，如果list中的元素被const修饰，那么同样返回const 引用.

list<string> mystrs{ "string","vector","linux","windows"};
cout << "mystrs.back() is: " << mystrs.back() << endl;mystrs.back().append("WINDOWS");
cout << "Now mystrs.back() is: " << mystrs.back() << endl;

<3>、const_reference

返回const引用的情况

const list<int> c_list{ 1,2,3,4,5 };
//list中元素被const修饰，front和back返回const引用不能修改
//c_list.front() += 10;
//c_list.back() -= 10;

5、list modifiers 增删查改

list有关增删查改的接口很多，我们只挑重点的来讲！

<1>、push_front（）

在list首元素前插入值为val的元素，即头插

<2>、push_back（）

在list尾部插入值为val的元素，即尾插

void Test_listpush()
{vector<int> v{ 1,2,3,4,5 };list<int> mylist(v.begin(), v.end());cout << "插入前:" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;mylist.push_front(0);	mylist.push_back(6);cout << "插入后：" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;
}

<3>、pop_front（）

删除list中第一个元素

<4>、pop_back（）

删除list中最后一个元素

void Test_listpop()
{list<char> mylist{ 'a','b','c','d','e' };cout << "删除前:" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;mylist.pop_front();	mylist.pop_back();cout << "删除后：" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;
}

<5>、insert（）

在list position 位置前插入值为val的元素，其中position是一个迭代器

如果成功插入，则返回新插入的第一个元素的迭代器。

void Test_listinsert()
{list<string> mylist{ "Java","C++","PHP","Python","C" };cout << "insert前:" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;//在position位置前插入valmylist.insert(mylist.begin(), "bash");//在position位置前 插入 n个valmylist.insert(++mylist.begin(), 3, "C#");//在position位置前 插入一段迭代器区间vector<string> v{ "Go","Rust","SQL" };mylist.insert(mylist.end(), v.begin(), v.end());cout << "insert 后：" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;
}

<6>、erase（）

删除list position位置的元素，其中position同样是一个迭代器。返回值是一个迭代器，指向被删除元素之后的那个元素。如果被删除的元素是list中的最后一个元素，那么返回end（）

 erase的返回值非常重要，有关list的迭代器失效问题 ！！！

void Test_erase()
{list<string> mylist{ "Java","C++","PHP","Python","C","bash","Go","Rust","SQL"};cout << "erase前：" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;//删除position位置的元素mylist.erase(mylist.begin());mylist.erase(--mylist.end());//删除一段迭代器区间[firsr,last) 左闭右开mylist.erase(++mylist.begin(), --mylist.end());cout << "erase后：" << endl;for (auto e : mylist){cout << e << " ";}cout << endl;
}

<7>、swap

交换两个类型相同的list中的元素

void printlist(list<int> l)
{for (auto e : l){cout << e<< " ";}cout << endl;
}
void Test_swap()
{list<int> list1{ 1,3,5,7,9 };list<int> list2{ 2,4,6,8,10 };cout << "swap前：" << endl;printlist(list1);printlist(list2);list1.swap(list2);cout << "swap后：" << endl;printlist(list1);printlist(list2);
}

<8>、clear

清除list中的所有元素

void Test_clear()
{list<string> list_str{"clear","swap","push_back","insert","erase","pop_front"};cout << "clear前：" << endl;for (auto e : list_str){cout << e << " ";}cout << endl;list_str.clear();cout << "clear后：" << endl;for (auto e : list_str){cout << e << "";}
}

<9>、resize

如果n小于当前list的size，size减少到前n个元素，并删除超出的元素。

如果n大于当前容器的size，则在末尾插入所需的元素,如果指定了val，则将新元素初始化为val的，否则将其进行值初始化。

n<list当前size的情况：

void Test_resize()
{list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };cout << "resize前：" << endl;for (auto e : list_int){cout << e << " ";}cout << endl;list_int.resize(3);cout << "resize前：" << endl;for (auto e : list_int){cout << e << " ";}
}

n>list 当前size的情况：

void Test_resize()
{list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };cout << "resize前：" << endl;for (auto e : list_int){cout << e << " ";}cout << endl;//不给value的情况 初始化默认值list_int.resize(10);cout << "resize前：" << endl;for (auto e : list_int){cout << e << " ";}
}

void Test_resize()
{list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 };cout << "resize前：" << endl;for (auto e : list_int){cout << e << " ";}cout << endl;//给value，就用value初始化list_int.resize(10,6);cout << "resize前：" << endl;for (auto e : list_int){cout << e << " ";}
}

<10>、emplace系列接口

list 的emplace系列接口涉及到C++11可变参数模板以及右值引用的移动语义问题，在C++11讲解中对emplace的使用及原理做了详细讲解，大家请移步至下面这篇博文：

深入探索C++11 第三弹：C++11完结，迈进高效编程的新纪元-CSDN博客https://blog.csdn.net/bite_zwy/article/details/143832840?spm=1001.2014.3001.5501

三、list的迭代器失效问题（重点）

前面说过，大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

接下来看一个迭代器失效的例子:

void TestListIterator1()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()){// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值l.erase(it);++it;}
}

erase函数执行后，it 指向的节点被释放，此时 it 已经失效，下面对it++就会导致错误，这就是list的迭代器失效问题！

解决办法：

之前我们说过erase会返回被删除的节点的下一个位置的迭代器，所以我们只需要在使用it前将erase的返回值重新赋值给it即可.

// 改正
void TestListIterator()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()){it = l.erase(it);}
}

四、list的模拟实现

1、List_Node的实现

// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{ListNode(const T& val = T()): _prev(nullptr), _next(nullptr), _val(val){}ListNode<T>* _prev;ListNode<T>* _next;T _val;
};

2、iterator 和const_iterator的封装

List 的迭代器
迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：
  1. 原生态指针，比如：vector
  2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
     1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
     2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
     3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
        至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前             移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--
     4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

template<class T, class Ref, class Ptr>
class ListIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到
public:typedef Ref Ref;typedef Ptr Ptr;
public://// 构造ListIterator(Node* node = nullptr): _node(node){}//// 具有指针类似行为Ref operator*(){return _node->_val;}Ptr operator->(){return &(operator*());}//// 迭代器支持移动Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);_node = _node->_next;return temp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);_node = _node->_prev;return temp;}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l)const{return _node != l._node;}Node* _node;
};template <class T>
struct list_const_iterator
{typedef List_Node<T> Node;typedef list_const_iterator<T> Self;Node* _node;//list_const_iterator(Node* node):_node(node){}const T& operator*(){return _node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}const T* operator->(){return &_node->_data;}Self& operator++(int){Self tmp = *this;_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self& operator--(int){Self tmp = *this;_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const Self& s)const{return _node != s._node;}bool operator==(const Self& s)const{return _node == s._node;}
};

3、 reverse_list_Iierator实现

通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对 正向迭代器的接口进行包装即可。

	template<class Iterator>class ReverseListIterator{// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;public://// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}//// 具有指针类似行为Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}//// 迭代器支持移动Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--(){++_it;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);++_it;return temp;}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{return _it != l._it;}Iterator _it;};

4、list类模板的实现

	template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:// 正向迭代器typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;// 反向迭代器typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;public:///// List的构造list(){CreateHead();}list(int n, const T& value = T()){CreateHead();for (int i = 0; i < n; ++i)push_back(value);}template <class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){CreateHead();while (first != last){push_back(*first);++first;}}list(const list<T>& l){CreateHead();// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换list<T> temp(l.begin(), l.end());this->swap(temp);}list<T>& operator=(list<T> l){this->swap(l);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}///// List的迭代器iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator begin()const{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end()const{return const_iterator(_head);}reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}const_reverse_iterator rbegin()const{return const_reverse_iterator(end());}const_reverse_iterator rend()const{return const_reverse_iterator(begin());}///// List的容量相关size_t size()const{Node* cur = _head->_next;size_t count = 0;while (cur != _head){count++;cur = cur->_next;}return count;}bool empty()const{return _head->_next == _head;}void resize(size_t newsize, const T& data = T()){size_t oldsize = size();if (newsize <= oldsize){// 有效元素个数减少到newsizewhile (newsize < oldsize){pop_back();oldsize--;}}else{while (oldsize < newsize){push_back(data);oldsize++;}}}// List的元素访问操作// 注意：List不支持operator[]T& front(){return _head->_next->_val;}const T& front()const{return _head->_next->_val;}T& back(){return _head->_prev->_val;}const T& back()const{return _head->_prev->_val;}// List的插入和删除void push_back(const T& val){insert(end(), val);}void pop_back(){erase(--end());}void push_front(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_front(){erase(begin());}// 在pos位置前插入值为val的节点iterator insert(iterator pos, const T& val){Node* pNewNode = new Node(val);Node* pCur = pos._node;// 先将新节点插入pNewNode->_prev = pCur->_prev;pNewNode->_next = pCur;pNewNode->_prev->_next = pNewNode;pCur->_prev = pNewNode;return iterator(pNewNode);}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置iterator erase(iterator pos){// 找到待删除的节点Node* pDel = pos._node;Node* pRet = pDel->_next;// 将该节点从链表中拆下来并删除pDel->_prev->_next = pDel->_next;pDel->_next->_prev = pDel->_prev;delete pDel;return iterator(pRet);}void clear(){Node* cur = _head->_next;// 采用头删除删除while (cur != _head){_head->_next = cur->_next;delete cur;cur = _head->_next;}_head->_next = _head->_prev = _head;}void swap(bite::list<T>& l){std::swap(_head, l._head);}private:void CreateHead(){_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}private:Node* _head;};

五、list和vector的对比

	std:list	std::vector
底层存储结构	带头结点的双向循环链表。每个元素在内存中不连续存储，通过节点中的指针指向下一个元素。	动态数组结构。元素在内存中是连续存储的。
随机访问	不支持高效的随机访问。要访问中间的元素，需要从头部（或尾部）开始遍历链表，时间复杂度为O(N)，其中N是到目标元素的距离。	支持高效的随机访问。可以通过下标运算符[]直接访问元素，时间复杂度为O（1）。
插入和删除元素	在任意位置插入和删除元素效率高。在链表中间插入或删除一个元素，只需要调整指针，时间复杂度为O(1)（不考虑查找插入位置的时间）。	在末尾插入元素效率高，时间复杂度一般为（当需要重新分配内存时可能会更复杂）。但是在中间或者开头插入 / 删除元素效率较低，因为需要移动插入 / 删除位置之后的所有元素，平均时间复杂度为O(N)。
内存分配	每次插入新元素时，只需分配新节点的内存，不需要重新分配整个容器的内存（除非内存不足）。	当元素数量超过当前容量时，需要重新分配一块更大的连续内存空间，并且将原有元素复制到新空间中，这个过程可能比较耗时。
迭代器失效	删除操作只会使指向被操作元素的迭代器失效，其他迭代器不受影响。	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，删除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失 效
空间开销	除了存储元素本身，每个节点还需要额外的指针来维护链表结构，所以有一定的空间开销。	没有额外的指针开销，但是可能会因为内存对齐等原因 浪费少量空间。
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。

六、小结

list也是STL中很基础同时也很重要的容器，是非常重要的数据结构之一，在操作系统，日志记录等方面都有很重要的应用，值得大家深入学习。

接下来会给大家带来C++ STL中其他容器的深度讲解，创作不易，还请多多互三支持。