【深入探索 C++ STL 容器 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：**

STL 数据结构与算法__Zwy@的博客-CSDN博客

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​

1、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：

​

2、list的的常用接口

2.1、Construct 构造函数

​

2.1.1、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.**

​

2.1.2、 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.

​

2.1.3、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。

2.1.4、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！

2.1.5、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。

2.2、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-。

2.2.1、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

2.2.2、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 **

2.2.3、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;
}

输出：

​

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;
}

输出：

​

2.3、Capacity 容量

​

2.3.1、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;
else
    cout << "list_int不为空" << endl;

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

输出：

​

2.3.2、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;

输出：

​

**2.4、Element access **

​

list 元素访问

2.4.1、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;

输出：

​

2.4.2、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;

输出：

​

2.4.3、****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;

​

2.5、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！

2.5.1、push_front（）

​

在list首元素前插入值为val的元素，即头插

2.5.2、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;
}

输出：

​

2.5.3、pop_front（）

​

删除list中第一个元素

2.5.4、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;
}

输出：

​

2.4.5、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val
    mylist.insert(mylist.begin(), "bash");
    //在position位置前 插入 n个val
    mylist.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;
}

输出：

​

2.5.6、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;
}

输出：

​

2.5.7、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);
}

输出：

​

2.5.8、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 << "";
    }
}

输出：

​

2.5.9、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 << " ";
    }
}

输出：

​

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 << " ";
    }
}

输出：

​

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 << " ";
    }
}

输出：

​

2.5.10、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

3、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);
    }
}

4、list的模拟实现

4.1、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;
};

4.2、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;
    }
};

4.3、 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;
    };

4.4、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newsize
                while (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;
    };

5、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。

6、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。