【C++】- 掌握STL List类：带你探索双向链表的魅力

前言：

 C++中的List容器是标准模板库（STL）中的一种序列容器，它实现了双向链表的功能。与数组（如vector）和单向链表相比，List容器提供了更加灵活的元素插入和删除操作，特别是在容器中间位置进行这些操作时。

一.list的介绍及使用

1. list的介绍

• 双向链表结构： list容器使用双向链表来存储元素，每个元素（节点）都包含数据部分和两个指针，分别指向前一个元素和后一个元素。这种结构使得在链表的任何位置进行插入和删除操作都非常高效，时间复杂度为O(1)。
• 动态大小： list容器的大小可以在运行时动态改变，即可以在程序运行过程中添加或移除元素。
• 不支持随机访问： 与vector和array等连续内存的容器不同，list不支持随机访问迭代器，不能直接通过索引获取元素，而需要通过迭代器遍历。
• 迭代器稳定性： 在list中插入或删除元素不会导致其他迭代器失效（除了指向被删除元素的迭代器）。这是因为它通过调整相邻节点的指针来维护链表结构，而不需要移动元素或重新分配内存。

2. list的使用

list的使用参考文档：list的文档介绍

2.1 list的构造

构造函数	接口说明
list (size_type n, const value_type& val =value_type() )	构造的list中包含n个值为val的元素
list()	构造空的list
list (const list& x)	拷贝构造函数
list (InputIterator first, InputIterator last)	用[first, last)区间中的元素构造list

代码演示：

#include<list>
int main()
{list<int> l1;//构造空的l1;list<int> l2(4,100);//l2中存放4个值为100的元素list<int> l3(l2.begin(),l2.end());//用l2的[begin,end）左开右闭区间构造l3;list<int> l4(l3);//用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] = { 16,2,77,29 };list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));// 列表格式初始化C++11list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };// 用迭代器方式打印l5中的元素list<int>::iterator it = l5.begin();while (it != l5.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// C++11范围for的方式遍历for (auto& e : l5)cout << e << " ";cout << endl;return 0;
}

2.2 list iterator的使用

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。

函数声明	接口说明
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
rbegin	返回一个指向容器中最后一个元素的反向迭代器（即容器的反向起始）
rend	返回一个反向迭代器，该迭代器指向列表容器中第一个元素之前的理论元素（该元素被认为是其反向结束）。

注意：

1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
2. 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

代码演示：

int main()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 使用正向迭代器正向list中的元素// list<int>::iterator it = l.begin();   // C++98中语法auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法while (it != l.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();auto rit = l.rbegin();while (rit != l.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;return 0;
}

2.3 list capacity

函数声明	接口说明
front	检测list是否为空，是返回true，否则返回false
size	返回list中有效节点的个数

2.4 list element access

函数声明	接口说明
front	返回list的第一个节点中值的引用
back	返回list的最后一个节点中值的引用

2.5 list modifiers

函数声明	接口说明
push_front	在list首元素前插入值为val的元素
pop_front	删除list中第一个元素
push_back	在list尾部插入值为val的元素
pop_back	删除list中最后一个元素
insert	在list position 位置中插入值为val的元素
erase	删除list position位置的元素
swap	交换两个list中的元素
clear	清空list中的有效元素

代码演示：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;void PrintList(const list<int>& l)
{// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it){cout << *it << " ";}cout << endl;
}// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList1()
{int array[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 在list的尾部插入4，头部插入0L.push_back(4);L.push_front(0);PrintList(L);// 删除list尾部节点和头部节点L.pop_back();L.pop_front();PrintList(L);
}// insert /erase 
void TestList2()
{int array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));// 获取链表中第二个节点auto pos = ++L.begin();cout << *pos << endl;// 在pos前插入值为4的元素L.insert(pos, 4);PrintList(L);// 在pos前插入5个值为5的元素L.insert(pos, 5, 5);PrintList(L);// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素vector<int> v{ 7, 8, 9 };L.insert(pos, v.begin(), v.end());PrintList(L);// 删除pos位置上的元素L.erase(pos);PrintList(L);// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素L.erase(L.begin(), L.end());PrintList(L);
}// resize/swap/clear
void TestList3()
{// 用数组来构造listint array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));PrintList(l1);// 交换l1和l2中的元素list<int> l2;l1.swap(l2);PrintList(l1);PrintList(l2);// 将l2中的元素清空l2.clear();cout << l2.size() << endl;
}int main()
{TestList1();TestList2();TestList3();return 0;
}

运行结果：

2.6 list的迭代器失效

 前面已经说过了，此处可以将迭代器理解为类似于指针的东西，迭代器失效即迭代器指向的节点失效了，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进行插入操作时不会导致迭代器失效，只有删除时才会失效，并且失效的是被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

二.list的模拟实现

1. list的节点

template<class T>
struct list_node
{T _data;list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;list_node(const T& x = T()):_data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr){}
};

2. list的成员变量

template<class T>
class list
{typedef list_node<T> Node;
public://成员函数
private:Node* _head; //哨兵位的头节点
};

 没有用访问限定符限制的成员class默认是私有的，struct默认是公有的，如果一个类既有公有也有私有就用class，全部为公有一般用struct。这不是规定，只是个惯例。

3.list迭代器相关问题

简单分析：
&emsp； 这里不能像以前一样给一个结点的指针作为迭代器，如果it是typedef的节点的指针，it解引用得到的是节点，不是里面的数据，但是我们期望it解引用是里面的数据，++it我们期望走到下一个节点去，而list中++走不到下一个数据，因为数组的空间是连续的，++可以走到下一个数据。但是链表达不到这样的目的。所以原身指针已经无法满足这样的行为，怎么办呢？这时候我们的类就登场了
 用类封装一下节点的指针，然后重载运算符，模拟指针。
例如：

reference operator*()const
{return (*node).data;
}
self& opertor++()
{node = (link_type)((*node).next);return *this;
}

3.1 普通迭代器

template<class T>
struct list_iterator
{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T> Self;Node* _node;list_iterator(Node* node):_node(node){}T& operator*() //用引用返回可以读数据也可以修改数据{return _node->_data;}T* operator->(){return &_node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}
};

3.2 const迭代器

const迭代器在定义的时候不能直接定义成typedef const list_iterator<T> const_iterator,const迭代器的本质是限制迭代器指向的内容不能被修改，而前面的这种写法限制了迭代器本身不能被修改，所以迭代器就不能进行++操作。那该怎能办呢？答案是我们可以实现一个单独的类：

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; //返回这个数据的别名，但是是const别名，所以不能被修改}const T* operator->(){return &_node->_data; //我是你的指针，const指针}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}
};

普通法迭代器与const迭代器的区别就是：普通迭代器可读可写，const迭代器只能读
上面是我们自己实现的普通迭代器和const迭代器，用两个类，并且这两个类高度相似，下来就让我们一起看一看库里面是怎么实现的吧！

我们可以看到库里面是写了两个模板，让编译器去生成对应的类。其本质上也是写了两个类，只不过是让编译器去生成对应的类。

迭代器不需要我们自己写析构函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数，因为这里要的是浅拷贝，例如我把一个迭代器赋值给另外一个迭代器，就是期望两个迭代器指向同一个节点，这里用浅拷贝即可，拷贝给你我们两个迭代器就指向同一个节点。

4. list的成员函数

4.1 list的空初始化

void empty_init() //空初始化
{_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}

4.2 push_back

//普通版本
void push_back(const T& x)
{Node* new_node = new Node(x);Node* tail = _head->_prev;tail->_next = new_node;new_node->_prev = tail;new_node->_next = _head;_head->_prev = new_node;
}
//复用insert版本insert(end(),x);

4.3 构造函数

list_node(const T& x = T()):_data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr)
{}

4.4 insert

iterator insert(iterator position; const T& val)
{Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);
}

4.4 erase

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());Node* del = pos._node;Node* prev = del->_prev;Node* next = del->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete del;return iterator(next);
}

4.5 push_front

void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}

4.6 pop_front

void pop_front()
{erase(begin());
}

4.7 pop_back

void pop_back()
{erase(--end());
}

4.8 clear

void clear()
{auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}

4.8 析构函数

~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}

4.9 swap

void swap(list<T>& tmp)
{std::swap(_head, tmp._head);//交换哨兵位的头节点
}

4.10 赋值运算符重载

//现代写法
//lt2=lt3
//list<T>& operator=(list<T> lt)
list& operator=(list lt) //不加模板参数
{swap(lt);//交换就是交换哨兵位的头节点return *this;
}//lt3传给lt去调用拷贝构造，所以lt就和lt3有一样大的空间一样大的值，lt2很想要，也就是/this想要，lt2之前的数据不想要了，交换给lt,此时lt2就和lt3有一样大的空间一样大的值，
//lt出了作用域就被销毁了

构造函数和赋值运算符重载函数的形参和返回值类型可以只写类名 list，不需要写模板参数，这种写法在类里面可以不加，只能在类里面可以这样写，类外面是不行的，一般情况下加上好一点。

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最后想说：

本章我们STL的List就介绍到这里，下期我将介绍关于stack和queue的有关知识，如果这篇文章对你有帮助，记得点赞，评论+收藏 ，最后别忘了关注作者，作者将带领你探索更多关于C++方面的问题。